hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
戦略的社会サービスのためのリアルタイム型サイバーフィジカル時空間分析に関する研究

サブテーマ「大規模モビリティデータの分析手法」については,主な実績としては,大量の移動軌跡に対するコンパクトで高速な索引技術を開発し,評価に基づく性能の実証を行ったことが挙げられる.文字列索引の技術を移動軌跡に適用する新たなアプローチを示した.提案した手法は,データベース分野における主要国際会議・論文誌に採録された.サブテーマ「分析インタフェース・可視化技術」に関しては,時空間的な現象を分析するための時空間ヒストグラムの構築手法の開発が挙げられる.時間的に変化する空間的な現象をコンパクトに表現できる.時空間的な現象の要約というだけでなく,可視化の手法としても有用であることを示し,対話的な分析において役立つことを示した.サブテーマ「SNS時空間情報のリアルタイム分析」に関しては,ジオタグ付きツイートデータなどSNSから時空間情報を収集し,道路の混雑状況や犯罪の検出ないし予測に関する研究を行った.また,感情分析に基づくVenue推薦システムの開発および評価も実施した.また,直観的な問合せを可能とする時空間問合せ言語を設計・開発し,Google Storeでのアプリケーション公開を行った.サブテーマ「自動車情報のリアルタイム分析」に関しては,位置情報に基づいて情報を検索し分析するためのユーザインタフェースの研究を実施した.また,自動車などの移動体に関する情報を動的に管理する占有グリッドマップを,最新の技術であるブロックチェーンを用いて管理するアプローチを提案し評価した.サブテーマ「リアルタイム型時空間データストリーム分析基盤」に関しては,特にセンシング環境に見られる曖昧性を有するデータストリームからパターンを抽出するための一種のパターンマイニング法の提案を行い,その評価を行った.また,データストリーム基づく信頼ある処理のためのフォールトトレランス機構に関する研究も実施した.研究については順調に推移している.「大規模モビリティデータの分析手法」に関しては,主要国際会議(ICDE)やジャーナル(ACM TSAS)に採録され,「SNS時空間情報のリアルタイム分析」では,主要国際会議(WSDM)への採録や,アプリケーションの公開などが特筆できる.また,関連する特許申請も行うことができた.最終年度であることから,それぞれのサブテーマにおける手法をとりまとめ,各グループにおいてサブテーマに対応したプログラムモジュール等の開発を行う.これと並行して,各サブテーマで得られた技術シーズを統合した統合フレームワークの設計を行う.統合フレームワークの設計結果に基づいてあらためて各サブテーマにおけるプロトタイプ等の見直しを図り,連携のために必要な技術開発を実施する.一方で,各サブテーマの最終的な取りまとめも行い,論文化やソフトウェアの公開などについての取り組みも行う.最後に,デモ構築および最終的な評価と,今後の展開に向けた課題の議論を行う.サブテーマ「大規模モビリティデータの分析手法の開発」については,行動履歴に対するマイニングから発生する確率的データストリームに対するパターン照合問合せの実行手法や,大量のジオタグ付き写真データから,移動ユーザの行動パターンを分析するマイニング手法を開発した.加えて,移動履歴をベースとして,移動先を予測するための手法の開発等も併せて行った.加えて,大規模時空間データを解析するためのデータベースシステム技術の活用技術,特に配列DBMSの利用技術等の開発も行った.サブテーマ「移動する自動車における情報のリアルタイム分析手法の開発」については,V2X情報のうち,車体周辺に存在するオブジェクト集合の分析技術として,観光レビューサイトのテキストデータを対象に地理オブジェクトの特徴表現に関する研究に取り組んだ.また,あるオブジェクト集合に対し地理オブジェクトを含むキーワードが追加される操作に対する,ユーザ意図の抽出方法について検討を行った.サブテーマ「ソーシャルネットワークにおける時空間情報のリアルタイム分析」については,SNSストリームデータ取得分析ならびに行動の分析・予測手法を提案し,評価検証を行った.SNSストリームデータ取得では,これまでの日本、米国から欧州に拡張し,データ取得を開始した.また,マレーシアを中心としたアジアのデータ取得も開始した.行動の分析・予測では,SNSデータを都内路線の物理的なトポロジを考慮し,ニューラルネットにより機械学習し,分析・予測を行った.サブテーマ「リアルタイム型時空間データストリーム分析基盤の開発」については,自動車におけるデータストリーム処理を意図して,ストリームデータとグラフデータを統一的に扱う問合せ言語を提案した.グラフ探索に適した論理型クエリ言語をベースとしつつ,ストリームデータに対する連続的問合せの機能を取り入れたものとなっている.サブテーマ「大規模モビリティデータの分析手法の開発」において,「研究方式の決定の困難」の理由により,予算の繰越を行った.本研究で対象とする移動軌跡データを,時系列的な点データだけでなく,道路情報やセンサ情報などの意味情報が付与される意味的な移動軌跡データにも拡充する必要性が発生したためである.今後の移動軌跡データの活用においては意味的情報の扱いが極めて重要であることがヒアリング等で明らかになり,調査と研究の拡充のため研究が遅延した.これ以外のサブテーマについては順調に進捗しており,研究発表に対して表彰を得るなどの成果も得ている.サブテーマ「大規模モビリティデータの分析手法の開発」については,大量のジオタグ付き写真データから,移動ユーザの行動パターンを分析するマイニング手法を開発した.加えて,大量の移動軌跡データに対する文字列ベースの索引を構築し,きわめて高速な検索処理を実現した.その他,位置情報サービスのための問合せ処理技術に関する開発も行った.具体的には,訪問希望先の情報に基づく最適な経路の提示や,モバイルユーザの検索時の問合せ補完技術を開発した.サブテーマ「移動する自動車における情報のリアルタイム分析手法の開発」については,地理オブジェクトの分析技術として,観光レビューサイトのテキストデータからの状況を含む特徴抽出について取り組んだ.

また,地理オブジェクトの集合的分析とユーザインタフェースにおけるデフォルメ度・簡略度を定義し,ユーザの使用意図に適合するかの予備実験を行い,意図抽出方式の検討を行った.また,自動運転支援などで用いられる占有グリッドマップの技術を,ブロックチェーンにより共有する手法の開発も進めた.サブテーマ「ソーシャルネットワークにおける時空間情報のリアルタイム分析」については,国内外のジオタグ付きツイートデータに加え,Flickrデータ,Panorama画像データを収集し,それらビックデータのタイムスタンプ,位置および内容分析から群衆のコンテキストを抽出し,機械学習よりランドマークや危険地域,混雑状況の検出ならびに予測を行った.またそれら検出予測結果に基づく道案内の推薦システムを構築し検証を行った.サブテーマ「リアルタイム型時空間データストリーム分析基盤の開発」については,行動履歴に対するマイニングから発生する確率的データストリームに対するパターン照合問合せの実行手法を開発し,大規模な時空間データストリームを要約したり差分を抽出するための時空間ヒストグラム技術の開発等を進めた.研究については順調に推移している.「大規模モビリティデータの分析手法の開発」に関しては,データベース分野の主要国際会議(ICDE, EDBT)に論文が採録されるという顕著な実績も得られている.また,「ソーシャルネットワークにおける時空間情報のリアルタイム分析」については,特許申請を1件行うことができた.サブテーマ「大規模モビリティデータの分析手法」については,主な実績としては,大量の移動軌跡に対するコンパクトで高速な索引技術を開発し,評価に基づく性能の実証を行ったことが挙げられる.文字列索引の技術を移動軌跡に適用する新たなアプローチを示した.提案した手法は,データベース分野における主要国際会議・論文誌に採録された.サブテーマ「分析インタフェース・可視化技術」に関しては,時空間的な現象を分析するための時空間ヒストグラムの構築手法の開発が挙げられる.時間的に変化する空間的な現象をコンパクトに表現できる.時空間的な現象の要約というだけでなく,可視化の手法としても有用であることを示し,対話的な分析において役立つことを示した.サブテーマ「SNS時空間情報のリアルタイム分析」に関しては,ジオタグ付きツイートデータなどSNSから時空間情報を収集し,道路の混雑状況や犯罪の検出ないし予測に関する研究を行った.また,感情分析に基づくVenue推薦システムの開発および評価も実施した.また,直観的な問合せを可能とする時空間問合せ言語を設計・開発し,Google Storeでのアプリケーション公開を行った.サブテーマ
損傷抑制機構をもつ鋼構造柱脚の開発と耐震性能評価

現行の設計指針類での露出柱脚の終局せん断特性の評価では,露出柱脚ベースプレートと基礎モルタルの摩擦による最大耐力とアンカーボルトのせん断耐力のうち大きい方を柱脚せん断耐力としている。柱脚負担せん断力が最大摩擦耐力に達し,すべりが生じたのちも一定の摩擦抵抗力が保持されるならば,適切なモデル化を通して強度の加算も可能と考えられるが,実験的裏づけが不足しているため,現状の評価では一旦すべりが生じたのちの摩擦抵抗は考えていない。摩擦係数にして0.5を超えるせん断耐力が安定的に発揮されるとすれば,アンカーボルトのない柱脚,つまり基礎に緊結しない柱脚の可能性や,鋼とモルタルをダンパー材料として用いる損傷制御型柱脚の現実味がおびてくる。本研究はでは,露出柱脚と基礎モルタル間の摩擦実験システムを振動台上に構築し,鋼とモルタル間に動的な多数回繰返しすべりを生じさせることで,すべり進行時における動摩擦抵抗を検証した。得られた知見は以下に示すとおりである。(1)静止摩擦係数:多数回の繰返しすべりに対して静止摩擦係数は常に安定していた。入力波の振幅と振動数に依存せず,静止摩擦係数はほぼ一定であり,実験値の平均値は0.78であった。(2)動摩擦係数:本加振条件下における,すべり時の動摩擦係数は静止摩擦係数と等しく,すべり進行時における摩擦抵抗力は一定となった。つまり,水平外力は静止摩擦を経て,すべり出した後も同等の摩擦抵抗を発揮する。これは,露出柱脚のせん断耐力をアンカーボルトのせん断耐力と摩擦抵抗力の足し合わせによって評価することの可能性を示唆するものである。(3)数値解析による摩擦挙動の再現:すべり時の動摩擦係数を一定と仮定した剛塑性モデルを用いる数値解析では,ほぼ実験で得られた摩擦係数において実験結果のすべり応答を再現でき,すべり応答を通して解析から与えられる動摩擦係数が鋼構造接合部設計指針等で用いられる摩擦係数0.5を上まわることを確認した。(1)せん断性能の評価に関する実験現時点では摩擦係数0.4が露出柱脚のせん断設計に用いられているが,その根拠となるのは少数の実験結果で,繰り返しや軸力変動など現実的な柱脚の条件を想定したものは見当たらない。本項目では,こうした内容を反映した摩擦実験を行い,鋼とコンクリート間の摩擦力に関する資料を蓄積した。コンクリートの内部せん断破壊(Mohr-Coulomb)の基準に加えて,鋼と鋼の場合に対して提案される掘り起こし理論を,それぞれ修正して組み合わせることにより,通常の黒皮付き鋼板の場合とブラスト処理鋼板の場合の摩擦力を,一貫した力学モデルを通じて評価した。(2)柱脚とコンクリート基礎から成る部分架構実験一PC鋼棒に関わる各限界状態プレストレス力によって高い復元性が達成される柱脚回転の限界状態はPC鋼棒の挙動と密接に関わっており,大変形領域におけるPC鋼棒の降伏によってプレストレス力が減少し,超大変形領域におけるPC鋼棒の破断によって終局を迎える。このような限界状態は,PC鋼棒のi)長さ,ii)初期張力比に大きく依存することをつきとめた。実験は,超大変形領域までを対象とし,柱脚が破壊するまでの各限界点(PC鋼捧降伏時回転角,PC鋼棒破断時回転角)を明らかにした。実用化を視野に,0.03radまでの設計想定変形範囲の挙動に焦点を当て,剛性から,各強度にいたる履歴則を精度良く評価できる簡易力学モデルを提案した。
多言語音声マルチスポット再生システムの開発

本研究は,多言語音声マルチスポット再生を実現するために,空間フーリエ変換に基づく解析的なマルチスポット再生技術の開発を目的とする.(1)直線および円形スピーカアレイを用いた解析的方式を提案し,Hann窓に基づく方式の有効性を実際に構築した64チャネル直線スピーカアレイの実測結果により示した.(2)反射音に頑健な音場制御実現のために,外部放射のない音場制御方式を提案した.(3)直線と円形/球形間の解析的音場変換を提案し,マルチスポット再生への応用を行った.これらの成果は,スピーチプライバシー,パーソナルオーディオやバーチャルリアリティシステム等にも非常に有用であると期待できる.スピーカアレイを用いて多言語音声マルチスポット再生を実現するための,スピーカ配置および信号処理方式,および実環境での実装,評価を以下のように検討した.(1)直線アレイを用いた方式の窓関数の検討と実装:これまでに提案した空間フーリエ変換を用いたスポット再生方式を実環境での実装を実現すべく,64チャネルのスピーカで直線スピーカアレイを実装し,無響室での音響測定を行い,従来法であるエネルギー最大化法よりも提案方法が実測においても高精度であることを確認した.また,これまでの矩形窓だけではなく,コサイン窓でのモデル化を解析的に導出した(信学技報).(2)バッフル型円形アレイを用いたエリア再生:直線アレイはアレイ長が大きくなるという問題に対して,コンパクトなスピーカアレイを用いた検討を行った.具体的には,コンパクトなバッフル型円形アレイの外側にエリア再生を実現する方式である.円筒座標系での空間フーリエ変換を導入し,制御音圧を矩形窓でモデル化することにより,解析的な駆動信号を算出するエリア再生方式を提案した.シミュレーション結果より.従来のビームフォーミングよりも高精度なエリア再生であることを確認した(WASPAA 2015,音講論).(3)上記2つの方式はアレイの外側に音が放射されるため,実環境では反射音の影響により精度が低下することが懸念される.そこで,円形アレイの内側にエリア再生を実現するための定式化を行った.まず,角度スペクトルで記述された音場を解析的に円調和展開へと変換する方式を提案した(ICASSP 2016,音講論).矩形窓でモデル化したアレイ内部の音圧を解析的音場変換により,円形アレイの駆動信号を解析的に導出した.この方式は従来の解析的方式では実現できなかった3つ以上のスポット再生を実現できる(音講論).(4)円形アレイを実装するための設計について検討した.今年度の計画は,(1)反射音のない自由空間における,大きさのない点音源を仮定したスピーカを用いてのシミュレーションでの検討および,(2)実環境における実験のためのシステムの実装であった.(1)直線アレイにおけるコサイン窓の定式化,バッフル型円形アレイを用いたエリア再生の定式化および,角度スペクトルかから円調和展開への解析的音場変換の提案および,解析的音場変換に基づく円形アレイ内部でのエリア再生の定式化を行った.特に,バッフル型円形アレイを用いたエリア再生および円調和展開への解析的音場変換は音響信号処理におけるトップカンファレレンスであるWASPAA 2015(採択率:48%)およびICASSP 2016(採択率:47%)に採択され,学術的にも高い評価を得ている.(2)直線アレイを64チャネルのスピーカアレイで実装し,無響室での測定を行った.また,上記バッフル型円形アレイの設計指針をシミュレーション結果に基づき,検討を行った.以上により,本研究は計画通り概ね順調に進展していると考える.空間フーリエ変換に基づくエリア再生方式の実験的検証:2014年に提案した直線スピーカアレイを用いた空間フーリエ変換に基づく解析的エリア再生方式を,無響室に実装したスピーカアレイを用いて実験的に検証した.従来のビームフォーミング,多点制御と比較し,Hann窓を用いた提案法が精度よくエリア再生を実現できることを確認した(J. Acoust. Soc. Am.).円形2重アレイを用いた外内同時音場制御の検討:従来のエリア再生は基本的に反射音がない自由空間を想定した定式化が多いため,そのまま実環境に適用できない.そこで,反射がある環境においても適用可能なエリア再生方式の検討を行った.具体的には,円形2重アレイを導入し,円形アレイ内部は所望の音場を,外側には一切音が放射しないような音場を設定する.従来法は,多点制御に基づく数値解法であるため,正則化の必要があるのに対して,提案法では,アンビソニックスの原理に基づく解析解によりスピーカの駆動信号を導出し,正則化なしでアレイ内側については従来法以上の,外側については従来法と同等の制御精度を実現した(ICASSP 2017[採択率:48.5 %],音講論2017春).また,この方式を発展させ,2つの音場を入れ替える音場テレポーテーションという概念も提案した(音講論2016秋).

次元ミスマッチに基づく局所再生の理論的検証:直線スピーカアレイを用いてその背後に設置した点音源の逆位相を音場再現することにより,再生基準腺よりも遠くには音波が放射せず,スピーカアレイの近傍でのみ音が聞こえるエリア再生を2014年に提案したが,その理論的検証を行い,従来法のエバネッセント波再生法と比較し,提案法の有効性を確認した(J. Intell. Inf. Hiding and Multimed. Signal Process.).2年目となる今年度は,当初の計画通り,主に反射音のある環境におけるエリア再生の検討を行い,解析解に基づく方式を提案し,その有効性を確認することができた.結果として,当該分野のフラッグシップカンファレンスに採択された.また,これまで提案したきた方式が査読付き国際ジャーナルに2本採択されたことも大きい.特に実験的検証の結果は,当該分野のトップジャーナルの1つであるアメリカ音響学会誌である.さらに,反射音環境でのエリア再生方式についても査読付き国際ジャーナルに投稿中である.以上により,本研究は順調に進展していると言える.円形スピーカアレイと直線スピーカアレイを組み合わせ,スピーカの近くでは音が聞こえ,離れると聞こえなくなるスポット再生方式(ICASSP 2015)の残響環境での性能を評価し,有効性を示した.また,この方式を球形スピーカアレイとアレイ中心に設置したスピーカの方式へと拡張させ,スピーカアレイの内部でのみ音が聞こえる方式を提案し,こちらも残響環境においても有効であることを示した(J. Inf. Hiding Multimed. Signal Process.).しかし,上記の方式は,複雑なスピーカアレイが必要であることと,聞こえるエリアの距離の制御が難しいこと,また,円や球の半径に依存した禁止周波数問題がある.これらを同時に解決するために,中空・剛球の球状スピーカアレイを用いた方式を提案した.また,このフィルタは,マイクロホンの近くの音のみを収録し,離れた音は収録しない接話マイクロホンアレイにも直接使えることを数式の導入により示した(音講論2018春,ジャーナル論文執筆中).通常,球形マイクロホンアレイで収録された音場は球形スピーカアレイを用いて再生されるが,特にスピーカアレイは一度配置してしまうと形を変えることが難しく,これはスポット再生にも該当する.この問題を解決するために,球形マイクロホンアレイで収録された放射音場を直線スピーカアレイで再生するための解析的音場変換を提案した.これにより,直線スピーカアレイを用いて,球面調和スペクトルで記述された複雑な指向性の音場の再生も可能となった(WASPAA 2017,音講論2017秋).さらに,2016年度に提案した,円形2重マイクロホン・スピーカアレイを用いた音場テレポーテーション(音講論2016秋)を従来の多点制御方式と比較し,有効性を示した(J. Acoust. Soc. Am.投稿中).本研究は,多言語音声マルチスポット再生を実現するために,空間フーリエ変換に基づく解析的なマルチスポット再生技術の開発を目的とする.(1)直線および円形スピーカアレイを用いた解析的方式を提案し,Hann窓に基づく方式の有効性を実際に構築した64チャネル直線スピーカアレイの実測結果により示した.(2)反射音に頑健な音場制御実現のために,外部放射のない音場制御方式を提案した.(3)直線と円形/球形間の解析的音場変換を提案し,マルチスポット再生への応用を行った.これらの成果は,スピーチプライバシー,パーソナルオーディオやバーチャルリアリティシステム等にも非常に有用であると期待できる.今後の研究推進は以下のように行う.(1)多言語音声信号を用いた検討:初年度は,再生する信号は全てインパルスと仮定していたが,多言語音声マルチスポット再生では,入力信号は音声である場合が多い.
スケジューリング問題における割り付け規則を用いたメタヒューリスティクスの提案

本年度の研究では、動的なジョブショップ環境におけるスケジューリング問題を対象とした割り付け規則に関する研究を行い、ニューラルネットワークを用いた割り付け規則の学習方法を提案した。代表的なスケジューリング問題であるジョブショップスケジューリング問題(Job-shop Scheduling Problem, JSP)は、静的環境と動的環境における問題の二つに大きく分けられる。静的ジョブショップ環境において、投入される仕事が作業に要する仕事や機械はスケジュールを求める時点で既知である。一方で、動的ジョブショップ環境では、投入される仕事の平均作業時間など,統計的情報は入手可能であるものの、個々の仕事に関する具体的な作業時間は、仕事が実際に投入されるまで得ることはできない。このため、動的環境では,決められた割り付け規則に従い処理する仕事を決定する方法が主である。本年度の研究では、動的ジョブショップ環境における効果的な割り付け規則の導出方法を求めることを目的とした。動的環境における割り付け規則に関しては、様々な指標に基づく規則が考案されている。こうした複数の指標を基に、数式やニューラルネットワークによって割り付け規則を表現し、これを最適化することで、優れた性能を持つ割り付け規則を探索する方法の研究が盛んに行われている。こうした方法により得られる割り付け規則は、特定の動的環境のみを対象として探索する場合は高い性能を持つ一方で、特徴の異なる2種類以上の動的環境すべてに対して効率的な割り付け規則を探索することは困難である。そこで、優先度を計算する対象の仕事に関する指標だけではなく、同一の機械で処理を待つ他の仕事に関する指標を入力するニューラルネットワークの構造を考案し、その結合強度を最適化することで、複数の動的環境において優れた性能を示す割り付け規則を導出する方法を提案した。28年度が最終年度であるため、記入しない。本年度の研究では,代表的なスケジューリング問題であるジョブショップスケジューリング問題(Job-shop Scheduling Problem, JSP)を対象とした近似解法について,より複雑な目的関数や制約条件を持つ拡張JSPを対象として適用する際に,拡張により変化する問題の性質に着目し,拡張JSPの種類に依存して効果的な適用の方法が異なることを明らかとした.特に,前年度までの研究において,拡張JSPに対する有効性が明らかとされた,割り付け規則を局所的に用いる方法を対象とした.第一に,各仕事に関して納期および納期遅れのペナルティ重みが設定され,納期遅れ時間と重みの積についての総和の最小化を目的とする,納期遅れ和の最小化問題を考えた.こうした問題は,一般的なJSPと比較し,多くの変更が納期遅れ和を減少させ得ることから,局所探索法の効果が低下する.このため,前年度で示されたとおり,局所的な割り付け規則の適用が効果的である.一方で,利用可能として明示される複数の機械から,占有する機械を選択することが求められる,フレキシブルJSP(Flexible JSP, FJSP)においては,納期遅れ最小化の場合と同様に局所探索法の効率が低下するものの,納期遅れ最小化問題と異なり,仕事数および機械数が同程度のJSPと比較したとき,実行可能な解が大きく増加する.このため,既存のメタヒューリスティクスに割り付け規則を導入する場合に,局所探索法の効率を向上させるために時間窓を限定した局所的な割り付け規則を利用する方法の他に,局所探索法を開始する解を膨大な実効可能解から効率的に探索することを目的として,割り付け規則を解の全体に適用したうえで,効率的な規則を探索する方法が考えられる.これら2種の方法のうち,割り付け規則を解の全体に適用する後者の方法がより効果的であることを明らかとした.当初の研究計画における,1割り付け規則に用いる指標と有効性の検討,および,2割り付け規則による近傍の探索方法の検討に関して,スケジューリング問題の代表例たるジョブショップ問題(JSP)だけでなく,これをより複雑なものとした拡張JSPに対して行うことができた.一方で,各項目の詳細な検討については,困難な点が明らかとなった.1に関しては,既存の方法で用いられる割り付け規則は,経験的に定められたものであり議論の余地が残ると研究計画に記載した.しかし,問題の規模が変化した際に同一の規則を用いて柔軟に対応することの可能な指標が限られるため,既存の割り付け規則を上回る割り付け規則の指標を調査することが困難であることが明らかとなり,詳細な検討は行われなかった.一方で,拡張JSPに割り付け規則を適用する場合には,既存の割り付け指標にとどまらない新たな指標が必要とされ,こうした項目については十分な検討を行い,新たな割り付け規則を提案した.2に関しては,より良い割り付け近傍を探索することの可能な割り付け規則は,問題例によって様々に異なることが示唆され,有効な知見を得ることができなった.一方で,異なる拡張JSPの間において,それぞれ効率的となる方法を特定することができ,問題の性質と関連した知見を得ることができた.また,3多点探索を行うメタヒューリスティクスへの割り付け規則の導入に関しては,研究計画の通り実施することができた.以上の研究状況から,拡張JSPに対する適用方法の検討が行われたことについて,当初の研究計画を上回る内容の知見が得られたものの,割り付け規則の適用方法にかかわる詳細部分の検討については,いくつかの課題が明らかとなり,当初の研究計画を完全に達成することはできなかった.こうした状況を総合的に判断し,表記の評価とした.本年度の研究では、動的なジョブショップ環境におけるスケジューリング問題を対象とした割り付け規則に関する研究を行い、ニューラルネットワークを用いた割り付け規則の学習方法を提案した。代表的なスケジューリング問題であるジョブショップ

スケジューリング問題(Job-shop Scheduling Problem, JSP)は、静的環境と動的環境における問題の二つに大きく分けられる。静的ジョブショップ環境において、投入される仕事が作業に要する仕事や機械はスケジュールを求める時点で既知である。一方で、動的ジョブショップ環境では、投入される仕事の平均作業時間など,統計的情報は入手可能であるものの、個々の仕事に関する具体的な作業時間は、仕事が実際に投入されるまで得ることはできない。このため、動的環境では,決められた割り付け規則に従い処理する仕事を決定する方法が主である。本年度の研究では、動的ジョブショップ環境における効果的な割り付け規則の導出方法を求めることを目的とした。動的環境における割り付け規則に関しては、様々な指標に基づく規則が考案されている。こうした複数の指標を基に、数式やニューラルネットワークによって割り付け規則を表現し、これを最適化することで、優れた性能を持つ割り付け規則を探索する方法の研究が盛んに行われている。こうした方法により得られる割り付け規則は、特定の動的環境のみを対象として探索する場合は高い性能を持つ一方で、特徴の異なる2種類以上の動的環境すべてに対して効率的な割り付け規則を探索することは困難である。そこで、優先度を計算する対象の仕事に関する指標だけではなく、同一の機械で処理を待つ他の仕事に関する指標を入力するニューラルネットワークの構造を考案し、その結合強度を最適化することで、複数の動的環境において優れた性能を示す割り付け規則を導出する方法を提案した。これまでの研究成果から,当初の研究計画に記載されていた,1割り付け規則に用いる指標の有効性検討および,2割り付け規則に基づく局所探索法の検討について,問題の規模を限定しない,JSPの一般的な問題例に適用可能な知見を得ることが困難であることが示唆された.このため,次年度においては,ジョブショップ問題を対象として局所探索法を実施する際に有用と思われる知見として,有効な割り付け規則に関する知見に限定せず,一般的な局所探索法を適用する際の知見を対象とした研究を実施する予定である.具体的には,局所探索法における近傍構造について,ジョブショップ問題の様々な問題例から,有効と思われる構造を特定する.一般的に,局所探索法を適用する際には,任意の解に対して微小な変更を加えることで得られる解の列挙と,得られた解の中からの最も目的関数値の良好な解への遷移を繰り返し行うことで良好な解が探索される.このとき,微小な変更により得られる解を近傍解とよび,こうした解は近傍構造にしたがって決定される.この近傍構造は,既存の方法においては,探索を行う研究者や技術者によって事前に決定され,探索効率の良い近傍構造を特定することが課題となっている.
スマートナノファイバーネットを用いた新規尿毒素除去システムの開発

本研究では、災害時などライフラインが寸断された緊急時においても、透析患者の応急処置が可能な尿毒素除去フィルターの開発を目的として、尿毒素を吸着するゼオライトを導入したスマートナノファイバーコンポジットを作製した。ファイバーのベースとなる高分子には血液適合性に優れる高分子(EVOH)を用い、電界紡糸法で製膜した。作製したファイバー内には製膜時に配合したゼオライトの90%以上が導入できた。尿毒素の一つであるクレアチニンを馬血清から除去することに成功した。このようなコンポジット材料は、血液浄化材料のほか、配合する吸着粒子を変えることで様々な分子を吸着する不織布として応用できる。本研究では、1尿毒素を速やかに吸着し、2余分な水分を吸収し、3血液適合性に優れ、4非常に高い表面積を有する“スマート"ナノファイバーの開発を目的とする。まず、基礎検討として尿毒素を選択的に吸着するゼオライト粒子を検討した。ゼオライトの空隙部位や親疎水性、ゼオライト結晶の粒径を最適化したゼオライトにすることで、尿素やクレアチニンといった代表的な尿毒素の吸着量を最適化したゼオライトを得た。ナノファイバーのベースとなる高分子には、エチレンビニルアルコール共重合体(EVAL)を用いた。EVALは血液適合性に優れ、かつ親水性でありながら水に不溶という特徴があり、製膜後の後処理が不要という利点がある。ナノファイバーの作製には、複数の高分子やゼオライトナノナノ粒子を自由に混合できる電界紡糸法を用いた。電界紡糸時のパラメータである溶媒の種類や高分子濃度、電圧、噴出速度、電極間の距離を調節した結果、様々な直径のEVALナノファイバーを製膜できた。特に沸点の異なる二種類の溶媒を混合することで500 nm以下の細いナノファイバーを得ることができた。また、紡糸時の高分子溶液にゼオライトを超音波混合することで、ゼオライトを内に取り込んだナノファイバーを製膜することができた。今後はナノファイバーの作製条件を至適化することで尿毒素吸着能を最大限向上させる。また、安全性を担保するためにナノファイバーの血液適合性についても牛血液系(in vitro)で評価する。本研究では、災害時など電力、水、交通手段などのライフラインが寸断された緊急時においても、透析患者の応急処置が可能な尿毒素除去フィルターの開発を目的として、尿毒素を吸着するゼオライトを中に配合した、ナノファイバーコンポジットを作製し、その尿毒素除去性能を評価した。ナノファイバーのベースとなる高分子には血液適合性に優れ、親水性かつ水に不溶なエチレンビニルアルコール共重合体(EVOH)を用いた。紡糸時の高分子溶液にゼオライトを1時間以上超音波混合し、電界紡糸法により製膜することで、ナノファイバーコンポジットを再現よく作製できた。また、電界紡糸時のパラメータである溶媒の種類や高分子濃度を調製することで、ナノファイバーの直径の制御が可能であった。製膜したコンポジットはSEM像とEDX mappingからゼオライトが取り込まれていることを確認した。また、TG/DTAスペクトルからファイバー内のゼオライト重量を求めた結果、製膜時に配合したゼオライトの90%以上がファイバー内に取り込まれていることが分かった。モデル尿毒素としてクレアチニン(分子量113)を除去対象とし、製膜したナノファイバーのクレアチニン除去特性を検討した結果、クレアチニンを吸着により除去でき、ゼオライト導入量に従って吸着量が増加することが明らかになった。さらに、馬血清からも尿毒素が除去できることが示された。今回作製したナノファイバーは、EVOHでコートされているため、血液適合性の面で極めて有利である。ナノファイバーとゼオライトのコンポジット材料の製膜には、シンプルで簡便な電解紡糸法を用いており、配合する吸着粒子を変えることで、様々な分子を吸着する不織布として簡便に応用できる。初年度の基礎検討において尿毒素を最大限吸着するゼオライトを得ることができた。また、ゼオライト含有ナノファイバーも製膜条件とファイバーの特性についての知見が得られ、当初の計画通り推移している。今後は、腎不全患者の生理条件を鑑みて、尿毒素除去を最大限向上させたナノファイバーの作製条件を検討していく。25年度が最終年度であるため、記入しない。本年度(平成25年度)は、ナノファイバーを4時間浸漬させることで尿毒素を健常人と同等の血液濃度まで低下させることを目標とする。昨年度作製したナノファイバーの作製条件を至適化することで尿毒素吸着能を最大限向上させる。具体的には、TEMやAFMを用いて直径や長さ、ゼオライトナノ粒子の含有量を評価し、さらに、尿素・クレアチニン・尿酸の水系吸着実験を行う。ファイバーの径(表面積)やゼオライトナノ粒子の含有量と尿毒素吸着能を網羅的に調べることで、最適なナノファイバーの作製条件を検討する。

ファイバーの水の吸収挙動についても、ホメオスタシスを維持できる4時間で240 mL(1 mL/min)の水吸収を目標値として、同様に検討する。水系だけではなく、透析患者の血中濃度・血液粘度を想定した牛血液系で尿素・クレアチニン・尿酸の吸着能をin vitroで評価する。具体的には、所定の除去性能が得られていることを確かめ、その結果をナノファイバーメッシュの作製条件にフィードバックする。また、ナノファイバーの血液適合性についても1血漿タンパク質系、2血液凝固系、3補体系の三面から多角的に評価し、安全性を担保する。血液凝固系については、抗凝固剤必要量及びプロトロンビン時間から評価する。25年度が最終年度であるため、記入しない。
異種動物の種特異的補体制御膜因子遺伝子導入動物の作成

1補体は種特異的補体制御膜因子が存在する自己細胞では反応が強力に抑制され、それらを持たない侵入異物にのみ反応する仕組みになっている。これに対し異種細胞には自由に補体反応が起こるので、異種移植などでは補体による急性拒否反応がおこる。そこで、ラット補体制御因子5I2抗原(ラットCrry)cDNAをマウス、モルモット、ハムスターなどの受精卵(マウスではES細胞)に導入してトランスジェニック動物を作成し、異種移植実験用動物を開発するための基礎的検討を行った。また、新たにモルモット補体制御因子DAFやMCPのcDNAクローニングにも成功したので同様に検討を行った。2ハムスター由来CHO細胞、サル由来COS7細胞等にラットやモルモットの種特異的補体制御膜因子のcDNAをトランスフェクトしたトランスフェクタントを作成した。トランスフェクタントでの補体制御膜因子cDNAの転写発現量はノーザンブロッド法や半定量RT-PCR法で確認された。さらに細胞膜上への蛋白発現量をモノクローナル抗体を用いて免疫蛍光染色し、フローサイトメトリーで定量した。3発現させたラットCrryやモルモットDAFが種特異的に補体反応を抑制する程度を、それぞれのトランスフェクタント細胞にウサギで作成した抗CHO等の抗体を作用させた上でラットやモルモットの血清と反応させ、C3の沈着がトランスフェクタント細胞では強力に抑制されていることがフローサイトメトリー定量によって確認された。4ラットやモルモットの補体の反応を強力に抑制することを確認した培養細胞をラットやモルモット皮下、腎被膜下、肝臓等に接種してトランスフェクタント細胞の消長の継時的解析を現在検討中である。1)種特異的補体制御膜因子が存在する自己細胞では補体反応が強力に抑制され、それらを持たない侵入異物にのみ補体は反応する仕組みになっている。異種細胞にはこれらの因子が存在しないので補体反応が起こり、異種移植などでは補体による急性拒否反応がおこる一因となる。そこで、これらの遺伝子をブタに導入したトランスジェニックブタの作成が試みられているが、ヒトへの異種移植用トランスジェニック動物の実用化に当たっては、動物実験による基礎研究の知見が必須である。2)そこで実験動物の種特異的補体制御膜因子のcDNAクローニングを行いラットの5I2抗原(Crry)を得たので、その遺伝子を導入発現させたトランスフェクタントを作成した。5I2抗原cDNAをpCDM8またはpBK-CMVベクター等を用いてトランスフェクション用のベクターを構築し、CHOやCOS細胞にエレクトロポーレーション法にてトランスフェクションした。トランスフェクタントでの5I2抗原cDNA転写発現量をノーザンブロッド法や半定量RT-PCR法で測定した。細胞膜上への蛋白発現量は5I2抗原に対するモノクローナル抗体5I2を用いて免疫蛍光染色し、フローサイトメトリーで定量した。発現させた5I2抗原がラット補体反応を抑制することを確かめた。3)この5I2原cDNAや我々が新たにクローニングして得たモルモットDAFのcDNAを用いて遺伝子導入用コンストラクトを作成し、マウスやハムスターなどのES細胞に導入してトランスジェニック動物を作成し異種移植実験用動物を開発する。作成に成功したトランスジェニック動物は、それらの動物を用いての異種移植実験を希望する研究者に分与し、異種移植研究の発展に寄与する。そこで、ラット補体制御因子512抗原(ラットCrry) cDNAをマウス、モルモット、ハムスターなどの受精卵(マウスではES細胞)に導入してトランスジェニック動物を作成し、異種移植実験用動物を開発するための基礎的検討を行った。

また、新たにモルモット補体制御因子DAFやMCPのcDNAクローニングにも成功したので同様に検討を行った。2ハムスター由来CHO細胞、サル由来COS7細胞等にラットやモルモットの種特異的補体制御膜因子のcDNAをトランスフェクトしたトランスフェクタントを作成した。トランスフェクタントでの補体制御膜因子cDNAの転写発現量はノーザンブロッド法や半定量RT-PCR法で確認された。さらに細胞膜上への蛋白発現量をモノクローナル抗体を用いて免疫蛍光染色し、フローサイトメトリーで定量した。3発現させたラットCrryやモルモットDAFが種特異的に補体反応を抑制する程度を、それぞれのトランスフェクタント細胞にウサギで作成した抗CHO等の抗体を作用させた上でラットやモルモットの血清と反応させ、C3の沈着がトランスフェクタント細胞では強力に抑制されていることがフローサイトメトリー定量によって確認された。4ラットやモルモットの補体の反応を強力に抑制することを確認した培養細胞をラットやモルモット皮下、腎被膜下、肝臓等に接種してトランスフェクタント細胞の消長の継時的解析を現在検討中である。
数値シミュレーションによる沈殿池の解析

沈殿池は,上水処理や下水処理における最も基本的な単位操作であるが,その挙動は複雑で相似率を合わせることができず模型実験は困難である.そのため,設計や操作は経験的に行われている.高価なパイロットプラント実験に替えて,数値シミュレーションを導入すれば特性の把握が容易になる.横流式沈殿池の流れを簡略化して, 2次元非圧縮性非定常流れとし,単粒子沈降,沈殿したスラッジの再浮上を無視,および一定水温とした.数値解析法は, SMAC法で有限要素法を用い,時間方向は台形法とした.流入した濁質を含む水は急速に低下し,密度流となって底部に沿って流れる.沈降が良好な場合は沈降が終了した後,流れは底部を離れて上昇し,水面に沿った流れとなって末端から越流する.この流れによって,流入部では水面近く,末端では底部に死水域ができる.トレーサーをシミュレートすると,流出のピークは設計滞留時間の10%で発現し,強い短絡流となっているが沈殿は良好である.沈降が悪い濁質では,沈降がほぼ終了した流れが底部の密度流より離れて上向流となり,水面で水平方向に変わって流出部に向かう.トレーサーのピークは約50%になる.密度流は滞留時間を短くするので沈殿効率を低下させると考えられていた.しかし、濁質を含む密度流は底部を流れるので,粒子の沈降する距離が短くなるため,沈殿に支障が出なかった.流入部の下部または上部の狭い範囲から流入させると,密度流は強くなり厚さが小さくなる.シミュレーションによれば沈殿効率が大幅に改善でき,経験的に行われていた事実と合致し,数値解析の有効性が確認できた.沈殿池は,上水処理や下水処理における最も基本的な単位操作であるが,その挙動は複雑で相似率を合わせることができず模型実験は困難である.そのため,設計や操作は経験的に行われている.高価なパイロットプラント実験に替えて,数値シミュレーションを導入すれば特性の把握が容易になる.横流式沈殿池の流れを簡略化して, 2次元非圧縮性非定常流れとし,単粒子沈降,沈殿したスラッジの再浮上を無視,および一定水温とした.数値解析法は, SMAC法で有限要素法を用い,時間方向は台形法とした.流入した濁質を含む水は急速に低下し,密度流となって底部に沿って流れる.沈降が良好な場合は沈降が終了した後,流れは底部を離れて上昇し,水面に沿った流れとなって末端から越流する.この流れによって,流入部では水面近く,末端では底部に死水域ができる.トレーサーをシミュレートすると,流出のピークは設計滞留時間の10%で発現し,強い短絡流となっているが沈殿は良好である.沈降が悪い濁質では,沈降がほぼ終了した流れが底部の密度流より離れて上向流となり,水面で水平方向に変わって流出部に向かう.トレーサーのピークは約50%になる.密度流は滞留時間を短くするので沈殿効率を低下させると考えられていた.しかし、濁質を含む密度流は底部を流れるので,粒子の沈降する距離が短くなるため,沈殿に支障が出なかった.流入部の下部または上部の狭い範囲から流入させると,密度流は強くなり厚さが小さくなる.シミュレーションによれば沈殿効率が大幅に改善でき,経験的に行われていた事実と合致し,数値解析の有効性が確認できた.沈殿池は相似則を満足させた模型実験は難しい.本研究は,模型実験の代わりに数値シミュレーションによる実験を行うものである.各種の計算スキームを試みた結果,2次精度のSMAC法が最も安定した結果が得られた.差分法と有限要素法のいずれでもほぼ同様な結果であった.時間に関する離散化は,クランクニコルソン法によると最もステップ幅を大きくすることができた.計算結果はアニメーション化し,流線図,濁質濃度分布図,池底沈殿濁質分布図,トレーサー濃度分布図,トレーサー応答曲線,流失濁質濃度時間変化図などを出力した.横流式沈殿池の水深,および表面積負荷を同一とし,平均水平流速を変えて比較した.(池の長さを変える.)粒子の沈降速度は同一とし,理想沈殿池とした場合に流入部より長さ方向に1/3の位置で完全に沈降する速度とした.初期条件として沈殿池内には濁質がないものとし,運転開始とともに所定濃度の濁質を含む水か流入するものとした.水深3m,表面積負荷30m^3/m^2/dayの沈殿池において,流入濁質濃度が400mg/L程度までは,水平方向に流入した流れは,下向きに流れて底部にに沿った流れとなる.粒子の沈降が終了すると,流れは底部から離れて上昇し越流部に向かう.このため池の上流部の上部に死水域が発生し,下流部では底部に死水域ができる.流入濁質濃度が1,000mg/Lを超えると.上部に発生する死水域が広がり,底部を流れる濁質を含め流れが池の末端まで到達する.このため沈殿効率は劣化する.この傾向は,平均水平流速が遅い(短い)池ほど著しい.本現象は,経験的な法則に合致している.横流式沈殿池を簡略化したモデルとして数値シミュレーションを行った。2次元非圧縮性流体とし、末端上部から流出する単純な矩形断面とした。濁質は、流体に対し等速度で沈降するものとし、体積は無視し、凝集性もないものとした。

計算法はSMAC法であり、空間方向の離散化は有限要素法、時間方向は台形法を用いた。濁質の移動は移流により、拡散項は無視し、2次精度の風上化をほどこした。境界条件として、壁面での流速は0、水面の濁質濃度は0とし、濁質の再浮上はないものとした。流人部で全面から均一に流入するものとすると、沈降速度が速い場合は、水流は急速に池底に向かって降下し底に沿って流れ、沈降が終了すると流れが上昇して水面に達して流出する。沈降を悪くして理想沈殿位置を池末端以上に遅くすると、底部の密度流は池末端に達し、密度流の上部から流れが上方向に離れて上昇流を形成する。流出部に向かう強い流れが水面に発達する。トレーサー濃度のピークは、沈降がよい場合は滞留時間の10%ときわめて早いが、沈降が悪いと混合されて50%程度になる。沈降が悪い状態で、流人部を絞り下部から流人させると沈降が改善できた。池上部の狭い部分から流人させても同じ効果がある。密度流を早く池底に到着させて沈降する距離を小さくすると良い結果を与える。流人濁質濃度が高い時に有効であった。横流式沈殿池の流況がかなり明らかになった。
界面活性剤濃厚溶液におけるミセル構造のダイナミックス

界面活性剤は水中で臨界ミセル濃度(cmc)と呼ばれる濃度以上になるとミセルを形成する。ミセルは通常球状であるが、条件によっては棒状などの形に変わって成長する。ここ数年間、いくつかの系の濃厚溶液において、紐状のミセルが絡み合っていることを示唆する結果が得られている。本研究では、ミセルの絡み合いの動的側面をそれぞれ微視的および巨視的な見地から議論する上で有用な物理量である、自己拡散係数と粘度の測定を行なった。系としては、代表的な非イオン性界面活性剤C_nH_<2n+1>(OC_2H_4)_mOH(C_nE_m)を選んだ。界面活性剤分子の自己拡散自己拡散を測定する手段として、パルス磁場勾配^1Hスピンエコ-(PGSE)を用いた。得られた界面活性剤の自己拡散係数を濃度に対して両対数プロットし、高分子系と比較した。鎖状高分子の準希薄溶液においては、高分子の拡散係数は濃度と共に単調に減少し、良溶楳に対しては傾きは-1.75となる。光散乱の結果からは、40°C以上で鎖状高分子系と類似した挙動が観測されている。ミセルの解離や融合が起こらなければ、この温度領域での自己拡散係数のプロットも高分子系と同程度の傾きを与えるはずであるが、観測された値はこれに比べてはるかに小さい上、高濃度側では農度の増加と共に拡散係数が増加する傾向すら見られた。このことはミセル間の分子移動が起こっていることを示唆している。粘度粘度についても濃度に対して両対数プロットし、高分子系と比較した。低温領域では粘度はかなりの高濃度まで低い値を保っており、ある濃度で急激に増大した。温度が上昇すると、粘度が急増し始める濃度は減少した。これらの結果はミセルの絡み合いを支持している。しかし高温度領域でのプロットの傾きはスケ-リング理論では説明できなかった。これはミセル系独自の性質が観測されていることを意味する。
数電子デバイスにおける不純物を介したトンネル電流に関する研究

単電子デバイスの特性に大きな影響を及ぼすと考えられる不純物を介したトンネル電流に関して,平成6年以来,我々は,ノッティンガム大学のEaves教授のグループと共同研究を行なってきた.その結果をもとに,本重点領域研究費の配分を受け,マイクロスタット(Oxford Instruments社製)を購入し,半導体ヘテロ構造におけるトンネル現象の光学的特性の測定ならびに,不純物を介したトンネル過程の理論的検討を行なってきた.平成8年度の成果として次のような結果を得た.・微細共鳴トンネル素子の作製に向けてInGaAs/GaAs量子ドットを作製した.種々のサイズの量子ドットを作製し,そのPL測定を行った結果,InGaAs/GaAs量子ドットにおける歪みの緩和による遷移エネルギーの変化が簡単な経験式で表されることがわかった.・極めて薄い半導体ヘテロ構造((GaAs)_<20>/(AlAs)_<20>)における不純物準位をサイクロトロン共鳴を用いて測定し,その結果を変分計算を行ない解析した.・非対称2重量子井戸構造において,電子が両井戸間を,光学フォノンを放出してトンネルする過程を確認した.非対称2重量子井戸構造の光学的測定は,これまでも,数々行われてきたが,我々は,◯変調分光測定を用いて試料中の電子状態ならびに内部電界を正確に見積もり,◯フォトルミネッセンス測定と時間分解フォトルミネッセンス測定を行ない,光学フォノン放出が起こる電圧条件を確かめ,◯購入したマイクロスタットを用いた顕微ラマン測定により,放出された光学フォノンを実際に観測する,というステップを踏み,実験とその解析から光学フォノン放出の過程が重要であることを確認した.さらに,このような研究結果を踏まえ,超格子トンネル構造におけるトンネル過程に伴う光学フォノン放出と折り返しモード音響フォノン・ギャップの観測に関する研究(Eaves教授との共同研究)も始め,現在,マイクロスタットを用いて,超格子トンネル構造における顕微ラマン測定を行っている.単電子デバイスの特性に大きな影響を及ぼすと考えられる不純物を介したトンネル電流に関して,平成6年以来,我々は,ノッティンガム大学のEaves教授のグループと共同研究を行なってきた.その結果をもとに,本重点領域研究費の配分を受け,マイクロスタット(Oxford Instruments社製)を購入し,半導体ヘテロ構造におけるトンネル現象の光学的特性の測定ならびに,不純物を介したトンネル過程の理論的検討を行なってきた.平成8年度の成果として次のような結果を得た.・微細共鳴トンネル素子の作製に向けてInGaAs/GaAs量子ドットを作製した.種々のサイズの量子ドットを作製し,そのPL測定を行った結果,InGaAs/GaAs量子ドットにおける歪みの緩和による遷移エネルギーの変化が簡単な経験式で表されることがわかった.・極めて薄い半導体ヘテロ構造((GaAs)_<20>/(AlAs)_<20>)における不純物準位をサイクロトロン共鳴を用いて測定し,その結果を変分計算を行ない解析した.・非対称2重量子井戸構造において,電子が両井戸間を,光学フォノンを放出してトンネルする過程を確認した.非対称2重量子井戸構造の光学的測定は,これまでも,数々行われてきたが,我々は,◯変調分光測定を用いて試料中の電子状態ならびに内部電界を正確に見積もり,◯フォトルミネッセンス測定と時間分解フォトルミネッセンス測定を行ない,光学フォノン放出が起こる電圧条件を確かめ,◯購入したマイクロスタットを用いた顕微ラマン測定により,放出された光学フォノンを実際に観測する,というステップを踏み,実験とその解析から光学フォノン放出の過程が重要であることを確認した.さらに,このような研究結果を踏まえ,超格子トンネル構造におけるトンネル過程に伴う光学フォノン放出と折り返しモード音響フォノン・ギャップの観測に関する研究(Eaves教授との共同研究)も始め,現在,マイクロスタットを用いて,超格子トンネル構造における顕微ラマン測定を行っている.
剣道競技中における竹刀剣先方向の役割に関する研究

平成14年度では、剣道の構えにおける剣先方向の計測方法について検討を行うために、3次元動作分析システムを用いた剣先方向の測定を実施した。さらに、被験者自身が剣先方向を確認することが可能なレーザー光投射竹刀を試作し、その装置を利用した中段の構えの指導効果についても検討を試みた。その結果、3次元動作分析システムを用いた計測により、竹刀の剣先方向の正確な計測と評価が可能であり、また、指導を受けたグループは指導を受けなかったグループに比べ、より正確に指示された方向に剣先を向けていたことなどが確認された。しかし、これらの成果は、実験室内における、制約された条件下のもとでの結果であり、試合や稽古場面のように、実際に相手と対峙した場合に同じ結果となるかどうかについては、疑問が残った。平成15年度では、実際の試合場面として、O大学とN大学との定期戦における試合(11試合・22被験者)を2台のカメラで撮影し、3次元動作分析システムを用いて、対峙した相手との相対的な位置関係における剣先方向を求めた。その結果、被験者全員の平均の剣先位置は、対峙した相手の顎の下部から、向かって右に5.2cm、上方へ14.0cmの位置であった。申請者らは過去に、小型ビデオカメラを内蔵した竹刀を作成し、実験室内において防具を装着した人形に対して中段の構えをとらせ、剣先方向の測定を実施しており、その結果剣道部員の剣先方向は、顎の下部から右へ約2cm、上へ約10cmの位置であった。今回の測定結果はこれらの数値と近似していると判断され、剣先方向は、3次元動作分析システムを用いることにより、実験室内での測定と実際の試合場面における測定が同様の結果を示すことが確認された。結果として得られた剣先方向は、相手の左眼に近い位置であり、従来の指導書の記述と一致しており、剣道の攻防における剣先方向の合目的性が示唆された。本申請課題では、剣道の中段の構えにおける剣先方向の本質的な役割を明らかにすることを目的に、剣先方向の映像分析手法の確立と、実際の競技場面での剣先方向の測定を試みる。平成14年度では、構えにおける剣先方向の計測方法について検討を行うために、3次元動作分析システムを用いた中段の構えにおける剣先方向の測定を実施した。さらに、被験者自身が剣先方向を容易に確認することが可能なレーザー光投射竹刀を試作し、その装置を利用した中段の構えの指導効果についても検討を試みた。市販のレーザーポインタを先端部に内蔵し、レーザー光の投射を可能にした竹刀形状の装置を試作し、実験室において、人間の輪郭を描いたボード面に被験者を正対して中段の構えをとらせ、指示した部位に剣先を向けさせた後、本人にレーザー光をボード上に投射させることにより、実際の剣先方向を被験者に確認させた。被験者は剣道の初心者5名であり、試作した装置による指導を週2回、4週間にわたり実施し、指導を行わなかった初心者6名と比較した。指導の効果を調べるために、レーザー光の投射は行わずに、指示された部位と実際の剣先方向との距離を3次元動作分析システムにより測定し、指導した時期の前後で比較した。その結果、指導を受けたグループは指導を受けなかったグループに比べ、より正確に指示された部位に剣先を向けていたことなどが明らかにされた。