hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
船舶の航跡情報による運航技術の評価と安全基準に関する研究

船舶運航の安全性の向上のために、レーダー及びAISの情報を利用して、各船舶の航跡から変針や船速変化などの操船状況を推定・解析し、他船との遭遇状況を考慮した各船舶の運航技術についての評価手法の構築を試みた。まず、AIS情報から東京湾における船舶交通流の定量的評価を行うためのモデル化に必要なパラメータや変針時の回答角速度に関する検討を行い、船舶交通シミュレーションに利用可能なモデルの提案を行った。また、個別の船舶の航行の状況の評価についての提案を行った。レーダー情報の半自動追跡アルゴリズム開発は、継続中である。近年の運航技術レベルの多様化に加え、船舶の大型化、混雑化等は、輻輳海域における船舶交通の困難性を増大させている。本研究では、レーダーおよびAISの情報から各船舶の航跡から変針や船速変化などの操船状況を推定、解析し、他船との遭遇状況を考慮して、各船舶の運航技術について、個別に評価を行おうとするものである。2013年度は、ある海域における標準的な航行や不適切な操船行動の特徴を明らかにし、個々の航行の修正すべき点を示すなど、各船舶の航行状況に関する評価を検討した。東京と千葉方面から出港し、船舶の長が100m以上200m未満の貨物船と、千葉方面から出港し、船舶の長が100m以上200m未満のタンカーのうち、浦賀水道航路を南航する船舶を対象とした。評価の要素として、航跡、基準航跡からのずれ、速力、周囲の船舶数及びSJ値について検討を行った。船舶の航行状況について、複数の要素で比較できるような航行状況の評価シートを作成した。これにより、各船の航行状況をわかりやすく分析することができる。今回の検討結果は、評価海域においてある船の航行を評価する際の手法のひとつとしての提案になると考える。船舶交通実態調査において、AIS非搭載船舶についてはレーダー情報の解析が必要である。このレーダー情報をできるだけ容易に解析し、より精度の高い調査結果を得るために、東京海洋大学で有している先端ナビゲートシステム(船舶運航に必要なデータを収集・解析・保存・表示する統合システムで、東京湾の船舶交通調査が可能)の改良を行っている。これまで検討してきたレーダー情報の半自動追跡アルゴリズムは、本システムで稼働するには負荷が高く、アルゴリズムの改良が必要となっている。また、ある海域における船舶交通の安全性のレベルや危険度についての定量的な評価を行うため、上記システムで取得したAISデータを使用し、東京湾について調査した。まず、東京湾北部、浦賀水道および中ノ瀬航路について、航行隻数分布、航行密度分布、行き先分布に関する解析を行い、SJ値(Subject Judgment Value)を用いて海域の特性を検討し、衝突の危険度が高くなる可能性のある海域の抽出を行うことができた。次に、船舶交通の空間的分布とパラメータに関する統計的・確率的モデルを検討した。船舶の航跡や船速は、その船舶の大きさ、船種、航路中心からの距離等により決定される。また、航路の占有率や密度の評価には陸上の交通理論を使用し、浦賀水道航路における旋回および屈曲半径に関する解析により、航行可能領域における船舶の旋回挙動の評価を行った。ここまでの結果から、与えられた海域において船舶交通の安全性およびリスク分析および一般的な船舶交通流モデルの作成が可能になると考えられる。「研究の概要」にも記したとおり、レーダー情報の半自動追跡アルゴリズムに関して、さらなる改良が必要であることが分かった。使用しているレーダー情報は、画像情報であるため画像処理の部分で計算の負荷が大きくなり、追跡の処理に時間がかかっている。また、半自動追跡の精度も十分とはいえず、現在は追跡アルゴリズムの再検討を行っている。概要に述べたように、東京湾の特徴については、解析を進めることができた。また、与えられた海域において船舶交通の安全性やリスク分析および船舶交通流モデルを作成することにより、一般的な海域においてもその特徴を見いだせる船舶交通流モデルの提案を行えるようになった。航行船舶の特徴(全長、喫水、船種等)、行き先分布、航路内での航行分布、船速変化、航路屈曲部における旋回(変針のタイミングと旋回径の推定)等について、個別の解析手法の検討および解析を行っているところである。現時点では、レーダー情報の半自動追跡アルゴリズム開発および海域の特徴の抽出とモデル化にとどまっており、個々の船舶の航跡の評価に至っていない。レーダー情報の半自動追跡アルゴリズム開発は、画像処理手法および追跡アルゴリズムの再検討を行い、今後も継続していく予定である。今後は、AISの情報を中心に基準となる航路および許容操船範囲について、主として検討する。具体的には、これまでの解析結果から、行き先、船種、全長をパラメータとして航跡を分類し、航行密度の高い海域を基準航路の候補とする。また、周辺海域の密度分布と許容操船範囲との相関および基準航路上の船速変化について検討する。そして、各航行毎に調査し、基準航路からの偏位と船速差により、個々の船舶の航行状態を評価することを目指す。

また、船舶交通評価指標(バンパーモデル、SJ値、交差角等)により個々の航海について平均的な状態を求め、個々の船舶の航行について平均的な状態との差を調査し、定量的な評価を与えることを検討する。次年度使用額は6,734円でコンピュータ関連消耗品に使用予定ある。消耗品費としてソフトウェア開発費は800千円(予定通り)、コンピュータ関連消耗品に次年度使用額(6,734円)を合算(206,734円)、旅費として国内旅費は100千円、人件費・謝金は200千円、印刷製本費は100千円の使用計画である。
物体の偏光指紋の構築及びその応用

本研究は,物体表面による散乱光の完全な情報を迅速・コンパクトに取得・表現できる「偏光指紋」を構築することが目的である.本研究では大きく分けて,i)偏光指紋の定義の提案,ii)偏光指紋計測用の散乱偏光情報の取得装置の開発,iii)金属と誘電体の偏光指紋の構築,iv)偏光指紋の物体同定への応用を視野に,散乱モデルの確立を試み,理論解析を行った.本研究は,物体表面による散乱光の完全な情報を迅速・コンパクトに取得・表現できる「偏光指紋」の構築することを目的としたものである.試料表面による散乱光は半球に広がり,各方向での散乱光の高精度な偏光情報の取得は,正確な「偏光指紋」の構築および解析モデルの確立に不可欠である.そのため広いダイナミックレンジの散乱角に対応できる計測装置の開発を行った.本計測装置を用いて計測された偏光情報は,本研究で新たに提案した3次元座標系に従いプロットされ,試料の偏光指紋とした.試料の表面構造によりその偏光指紋は大きく異なると予想される.これまでは等方性の表面粗さをもつガラス・鉄の表面による偏光指紋を構築した.また偏光指紋から,試料の解析モデルの確立を試みた.ガラスの解析モデルでは,減衰係数を考慮しなければならないことが分かった.鉄の解析モデルでは,試料表面の一層構造および二層構造モデルを用いた.両モデルとも鉄の偏光指紋を一定程度で説明できた.さらに正確なモデルの確立が必要であることが分かった.本研究は,物体表面による散乱光の完全な情報を迅速・コンパクトに取得・表現できる「偏光指紋」を構築することが目的である.本研究では大きく分けて,i)偏光指紋の定義の提案,ii)偏光指紋計測用の散乱偏光情報の取得装置の開発,iii)金属と誘電体の偏光指紋の構築,iv)偏光指紋の物体同定への応用を視野に,散乱モデルの確立を試み,理論解析を行った.物体の構造や物質同定を行うために,物体の光散乱情報が多く用いられる.本研究は,物体表面による散乱光の完全な情報を迅速・コンパクトに取得・表現できる「偏光指紋」の構築することを目的とする.研究初年度の平成24年度は,散乱光の高度な偏光情報を測定するため,計測装置の開発と広いダイナミックレンジの入射角におけるIn-plane散乱光解析を中心に行った.計測装置に関しては,計測精度と速度の向上のため,各光学要素の制御や散乱光計測の自動化を実現した. 085度までの入射角における散乱光の強度分布は大きい変化を表すに対して,偏光情報は若干の変化を示すことを分かった.これらの計測結果に基づいて,7つのパラメータを用いた簡単な散乱光分布モデルを提案した.また偏光情報を導入した散乱光分布モデルの確立の試みを行った.以上,「偏光指紋」の構築を行うための基盤となる計測および解析がほぼ所定の目標を達成した.本研究は,物体表面による散乱光の完全な情報を迅速・コンパクトに取得・表現できる偏光指紋を構築し,解析モデルの確立を目的としたものである.正確な解析モデルを確立できると,構築された偏光指紋から測定物体の同定ができる.そのために,散乱の原因および偏光指紋への影響を調べる必要がある.昨年度までの異なる試料における偏光指紋の解析から,散乱表面状態により光回折現象とマルチ散乱現象が散乱光の偏光状態に影響することが分かった.そこで,光回折現象と散乱光の偏光状態の関係を定量的に解析するために,様々な材料を用いて,様々のスリット幅をもつ回折試料を製作し,基礎実験を行った.回折光の偏光状態とスリット幅の関係は非常に薄く,材料と大きく関係があることが確認された.今後は回折光の影響を考慮した偏光指紋の解析モデルを確立したい.工学平成25年度は,Out-of-plane散乱光の高度な偏光情報を測定するため,初年度(24年度)のIn-plane計測だけ可能だった計測装置を改造し,鉄の表面における散乱光の広いダイナミック散乱角レンジで偏光計測および解析を中心に行った.また,解析に必要な3次元座標系を新たに提案した.本座標系を用いて試料の偏光指紋を表すために,横散乱角と縦散乱角を新たに定義した.これらの散乱角を用いた偏光計測結果から,鉄の表面(等方性)による散乱光の偏光特性は入射角と横散乱角に依存せず,横散乱角だけに依存することを発見した.この現象を裏つけるため,試料表面を一層構造、二層構造として見なし数値解析を行った.両モデルともこの現象を一定程度で説明することができた.以上,「偏光指紋」の構築と解析がほぼ所定の目標を達成した.研究初年度の平成24年度は,散乱光の高度な偏光情報を測定するため,計測装置の開発と広いダイナミックレンジの入射角におけるIn-plane散乱光解析を中心に行った.計測装置に関しては,計測精度と速度の向上のため,各光学要素の制御や散乱光計測の自動化を実現した.本装置を用いた計測結果から, 085度までの入射角における散乱光の強度分布は大きい変化を表すに対して,偏光情報は若干の変化を示すことを分かった.また計測結果に基づいて,7つのパラメータを用いた簡単な散乱光分布モデルを提案した.

さらに偏光情報を導入した散乱光分布モデルの確立の試みを行った.以上,「偏光指紋」の構築を行うための基盤となる計測および解析がほぼ所定の目標を達成した.初年度と昨年度は、In-planeとOut-of-plane散乱光の偏光情報の取得および解析を主に行った.また偏光解析を行うため,新たな座標系の提案を行った.本年度は,その座標系を用いて,様々な試料の偏光指紋の構築を試みる.試料の表面構造(等方性か異方性)により,同じ物質であってもその偏光指紋は大きく異なる.3次元に広がる散乱光の偏光指紋を正確に取得することはより正確な解析モデルの確立につながる.各応用分野における試料を種類及びその状態に細かく分類し,試料ごとの偏光指紋のデータベースの構築を行う.これらのデータベースを用いて解析を行い,応用分野に対応するより正確なモデルの確立を試みる.初年度では、In-plane散乱光における解析およびモデルの確立を主に行った.本年度はOut-of-plane散乱光の偏光情報も含めたデータを用いて解析を行いより正確で,シンプルで,対応性の広いモデルの確立を試みる.また,各応用分野における試料を種類及びその状態に細かく分類し,試料ごとの偏光計測を行う.表面状態が偏光特性に影響するため,AFM,SEM,カラーレーザ顕微鏡などを用いた表面観察結果との対応を図りつつ,正確な偏光解析モデルの確立につなげる.これらの計測・解析データを用いて,試料の特定につながる偏光指紋を作成する.散乱試料の作製の依頼を予定していたが、無料で手に入れることができ、次年度使用額が生じた.論文掲載費の一部と散乱試料の購入
パルスニューラルネットワークを用いた視覚的注意と作業記憶の計算論的モデルの研究

視覚的注意研究の神経生理学データのみならず,心理学データも説明可能なモデルを構築した.(1)適切なニューロンモデルの設定:既存のモデルは神経生理学データの説明のためのパラメータを多く含み,心理データの説明には不適切な詳細を含んでいる.そこで,各ニューロンモデルをパルスニューラルネットワークの本質を失わない範囲で単純化した.Gerstner(1999)が提案しているスパイク反応モデルを用いた.(2)同期メカニズムの実装による内因的注意のモデル:既存のモデルは,注意の効果は神経集団の同期発火にあると仮定し,最近それを支持するデータもある.しかし,モデルでは同期発火発生そのもののメカニズムは実装されていない.本研究では,トップダウン信号に時定数の違う興奮性と抑制性の入力を用いることにより同期発火発生のメカニズムを実装した.このモデルでも,初期視覚領野での同期発火の生成,発火の時空間相関の変化の高次視覚領野における発火頻度への効果(具体的には非注意刺激に対する発火頻度の抑制)を実現することが可能であった.(3)系列的な注意の移動メカニズムのモデル:視覚探索研究は,人間が高速に注意の焦点を移動できることを示している.従来の顕著性マップのモデルでは,注意の移動のメカニズムは外部入力により強制的に焦点を移動するような形で実装されている.また,この場合の外部入力の制御のメカニズムは考慮されていない.本研究では,本質的には,視覚刺激からの入力パタンの相対関係のみに基づいて,自律的に注意の焦点を移動できるメカニズムを関発した.外部からの抑制フィードバック回路を用いずとも基本的な視覚探索の知見を再現することが可能であった.視覚的注意研究の神経生理学データのみならず,視覚的注意,視覚的作業記憶の心理学データも説明可能なモデルを構築するため,Niebur & Koch(1994)のモデルを次のように修正,拡張した.(1)適切なニューロンモデルの設定:既存のモデルは神経生理学データの説明のためのパラメータを多く含み,心理データの説明には不適切な詳細を含んでいる.そこで,各ニューロンモデルをパルスニューラルネットワークの本質を失わない範囲で単純化した.Gerstner(1999)が提案しているスパイク反応モデルを用いた.(2)同期メカニズムの実装:既存のモデルは,注意の効果は神経集団の同期発火にあると仮定し,最近それを支持するデータもある.しかし,モデルでは同期発火発生そのもののメカニズムは実装されていない.本研究では,トップダウン信号に時定数の違う興奮性と抑制性の入力を用いることにより同期発火発生のメカニズムを実装した.このモデルでも,初期視覚領野での同期発火の生成,発火の時空間相関の変化の高次視覚領野における発火頻度への効果(具体的には非注意刺激に対する5と火頻度の抑制)を実現することが可能であった.(3)系列的な注意の移動メカニズムの開発:視覚探索研究は,人間が高速に注意の焦点を移動できることを示している.従来の顕著性マップのモデルでは,注意の移動のメカニズムは外部入力により強制的に焦点を移動するような形で実装されている.また,この場合の外部入力の制御のメカニズムは考慮されていない.本研究では,本質的には,視覚刺激からの入力パタンの相対関係のみに基づいて,自律的に注意の焦点を移動できるメカニズムを開発中である.視覚的注意研究の神経生理学データのみならず,心理学データも説明可能なモデルを構築した.(1)適切なニューロンモデルの設定:既存のモデルは神経生理学データの説明のためのパラメータを多く含み,心理データの説明には不適切な詳細を含んでいる.そこで,各ニューロンモデルをパルスニューラルネットワークの本質を失わない範囲で単純化した.Gerstner(1999)が提案しているスパイク反応モデルを用いた.(2)同期メカニズムの実装による内因的注意のモデル:既存のモデルは,注意の効果は神経集団の同期発火にあると仮定し,最近それを支持するデータもある.しかし,モデルでは同期発火発生そのもののメカニズムは実装されていない.本研究では,トップダウン信号に時定数の違う興奮性と抑制性の入力を用いることにより同期発火発生のメカニズムを実装した.このモデルでも,初期視覚領野での同期発火の生成,発火の時空間相関の変化の高次視覚領野における発火頻度への効果(具体的には非注意刺激に対する発火頻度の抑制)を実現することが可能であった.(3)系列的な注意の移動メカニズムのモデル:視覚探索研究は,人間が高速に注意の焦点を移動できることを示している.従来の顕著性マップのモデルでは,注意の移動のメカニズムは外部入力により強制的に焦点を移動するような形で実装されている.また,この場合の外部入力の制御のメカニズムは考慮されていない.本研究では,本質的には,視覚刺激からの入力パタンの相対関係のみに基づいて,自律的に注意の焦点を移動できるメカニズムを関発した.外部からの抑制フィードバック回路を用いずとも基本的な視覚探索の知見を再現することが可能であった.
特性行列同定法の実用化への検討

現在,特性行列同定法の研究はいろいろなところで行われているが,取り分け,我が国の先駆者である東京工業大学の大熊教授がリードし,多くの研究成果をあげてきた.その成果の多くは主に同定手法に関するものである.しかし,実用化を考慮すると,理論的な導出方法のみならず,誤差論が欠かせない研究であるが,この分野では殆ど行われていない.そこで,特性行列同定法を使用して剛体特性を求めるための実用を目指した検討を行った.筆者は,これまで加振実験データに特性行列同定法を適用することで,設計上重要な剛体特性が得られる方法について研究してきた.ここではモード特性を求める際,モード特性が満たすべき条件から,ある一定の制約条件を付加して誤差を最小にするように最適化手法を用いて同定している.しかし,この手続きはある程度の数値計算について理解がないと困難が伴うため,広く利用されるのには難しい状況にあった.そのため,今回は加振実験データを精度良く求めることで,通常の偏分反復法で求めたモード特性でも十分精度が得られることを確認した.現在広く使用されている偏分反復法によるモード特性を用いることで,簡便的同定が行え,広く利用されることが期待される.さらにその実用的適用を鑑みて,加振実験による計測誤差の同定精度におよぼす影響を明らかにした.特性行列同定法では自己応答伝達関数を必ず必要とするが,実際の計測ではセンサーの物理的大きさなどの理由から,厳密な意味の自己応答伝達関数は計測できない.そのため,加振点近傍の応答を用いて近似的に自己応答としているのが一般的である.しかし,このことは同定される剛体特性の精度に影響を及ぼす.そこで,これを調べるために,厳密解が容易に得られる平板で,実験と計算の両面から検証を行った.その結果,振動モードの節からできるだけ遠ざけて伝達関数を測定することで,精度の向上が得られることを示した.現在,特性行列同定法の研究はいろいろなところで行われているが,取り分け,我が国の先駆者である東京工業大学の大熊教授がリードし,多くの研究成果をあげてきた.その成果の多くは主に同定手法に関するものである.しかし,実用化を考慮すると,理論的な導出方法のみならず,誤差論が欠かせない研究であるが,この分野では殆ど行われていない.そこで,特性行列同定法を使用して剛体特性を求めるための実用を目指した検討を行った.筆者は,これまで加振実験データに特性行列同定法を適用することで,設計上重要な剛体特性が得られる方法について研究してきた.ここではモード特性を求める際,モード特性が満たすべき条件から,ある一定の制約条件を付加して誤差を最小にするように最適化手法を用いて同定している.しかし,この手続きはある程度の数値計算について理解がないと困難が伴うため,広く利用されるのには難しい状況にあった.そのため,今回は加振実験データを精度良く求めることで,通常の偏分反復法で求めたモード特性でも十分精度が得られることを確認した.現在広く使用されている偏分反復法によるモード特性を用いることで,簡便的同定が行え,広く利用されることが期待される.さらにその実用的適用を鑑みて,加振実験による計測誤差の同定精度におよぼす影響を明らかにした.特性行列同定法では自己応答伝達関数を必ず必要とするが,実際の計測ではセンサーの物理的大きさなどの理由から,厳密な意味の自己応答伝達関数は計測できない.そのため,加振点近傍の応答を用いて近似的に自己応答としているのが一般的である.しかし,このことは同定される剛体特性の精度に影響を及ぼす.そこで,これを調べるために,厳密解が容易に得られる平板で,実験と計算の両面から検証を行った.その結果,振動モードの節からできるだけ遠ざけて伝達関数を測定することで,精度の向上が得られることを示した.本研究の目的である,特性行列同定法を使用して剛体特性を求めるための実用を目指した検討を行った.先ず,モード特性を使用して特性行列を同定する間接法のアルゴリズムについて検討を加えた.筆者は,これまで加振実験データに特性行列同定法を適用することで,機械構造物を設計する上で重要な剛体特性が得られる方法について研究してきた.ここではモード特性を求める際,モード特性が満たすべき条件から,ある一定の制約条件を付加して誤差を最小にするように最適化手法を用いて同定している.しかし,この手続きはある程度の数値計算について理解がないと困難が伴うため,広く利用されるのには難しい状況にあった.そのため今回は加振実験データを精度良く求めることで,通常の偏分反復法で求めたモード特性でも十分精度が得られることを確認した.現在広く使用されている偏分反復法によるモード特性を用いることで,簡便的同定が行え,一般ユーザからも広く利用されることが期待される.さらにその実用的適用を鑑みて,加振実験による計測誤差の同定精度におよぼす影響を明らかにした.特性行列同定法では自己応答伝達関数を用いるが,実際の計測ではセンサーの物理的大きさなどの理由から,厳密な意味の自己応答伝達関数は計測できない.そのため,加振点近傍の応答を用いて近似的に自己応答として使用しているのが一般的である.しかし,このことは当然のこととして,同定される剛体特性の精度に影響を及ぼす.そこで,これを調べるために,ばね要素で支持された有限要素平板モデルを用いて,シミュレーション(同定精度の検証)を行った.

ここでは,使用しているモデルに平板を用いているため,重心の位置,主慣性モーメント,質量等の数値は容易に計算でき,ほぼ真値を得ることができる.これと先の実験的に特性行列同定法から得られた剛体特性と比較することで,精度の検証を行い,計測上の指針を得た.現在,特性行列同定法の研究はいろいろなところで行われているが,取り分け,我が国の先駆者である東京工業大学の大熊教授がリードし,多くの研究成果をあげてきた.その多くは主に同定手法に関するものである.しかし,実用化を考慮すると,理論的な導出方法のみならず,誤差論が欠かせない研究であるが,この分野では殆ど行われていない.そこで,特性行列同定法を使用して剛体特性を求めるための実用を目指した検討を行った.筆者は,これまで加振実験データに特性行列同定法を適用することで,設計上,重要な剛体特性が得られる方法について研究してきた.ここではモード特性を求める際,モード特性が満たすべき条件から,ある一定の制約条件を付加して誤差を最小にするように最適化手法を用いて同定している.しかし,この手続きはある程度の数値計算について理解がないと困難が伴うため,広く利用されるのには難しい状況にあった.そのため,今回は加振実験データを精度良く求めることで,通常の偏分反復法で求めたモード特性でも十分精度が得られることを確認した.現在広く使用されている偏分反復法によるモード特性を用いることで,簡便的同定が行え,広く利用されることが期待される.さらにその実用的適用を鑑みて,加振実験による計測誤差の同定精度におよぼす影響を明らかにした.特性行列同定法では自己応答伝達関数を必ず必要とするが,実際の計測ではセンサーの物理的大きさなどの理由から,厳密な意味の自己応答伝達関数は計測できない.そのため,加振点近傍の応答を用いて近似的に自己応答としているのが一般的である.しかし,このことは同定される剛体特性の精度に影響を及ぼす.そこで,これを調べるために,厳密解が容易に得られる平板で,実験と計算の両面から検証を行った.その結果,振動モードの節からできるだけ遠ざけて伝達関数を測定することで,精度の向上が得られることを示した.
運動機能及び感覚機能代行におけるダイナミカルカップリングに関する研究

本研究は運動機能及び感覚機能代行における機能補助機器とその使用者間の動的協調の実現を目指すものである。研究期間中,機能補助機器を筋電義手に限定し,(a)様々な動的タスクにおける肩・アーム・手複合体の協調特性の計測や動的補助動作を実現するための使用者運動意図の識別方法の開発,(b)使用者への感覚提示方法の提案,(c)(a)と(b)の統合で,動的協調を実現するためのインタフェースの構築を行い,その有効性を検証した.本研究は運動機能及び感覚機能代行における機能補助機器とその使用者間の動的協調の実現を目指すものである。研究期間中,機能補助機器を筋電義手に限定し,(a)様々な動的タスクにおける肩・アーム・手複合体の協調特性の計測や動的補助動作を実現するための使用者運動意図の識別方法の開発,(b)使用者への感覚提示方法の提案,(c)(a)と(b)の統合で,動的協調を実現するためのインタフェースの構築を行い,その有効性を検証した.本提案は義手,義足などの機能補助機器とその使用者身体間の動的協調の実現を目指すものである。そのために,機器のコントローラと使用者の運動制御のダイナミカルカップリングを可能にするインタフェースが必要となる。本提案は,筋電義手とその使用者の動的協調の実現を具体例として用い,そのインターフェースの構築を試みる。H19年度中,そのインターフェースを実現するために,使用者運動意図の識別方法及び使用者への感覚提示法の確立を目的として,上肢運動特性の計,解析及び,ボディ運動イメージの可塑性について,以下の項目で,研究を行なった。◆計画通りに構築した上肢計測システムを用いて,上肢運動計測実験を行なった。指動作関連のデータをセンサーチャンネル間の相関解析を行い,その結果皮膚表面の振動パターンから,人差指,中指,薬指の動作が分類可能とであることを明らかにした。この方法を筋電信号のみでは識別困難な指動作の識別に応用できれば,使用者運動意図の識別に大きく貢献することになる。また,上肢動作における指,腕,肩間の関連性分析に統計的因果推論の適用を試みた。統計的因果推論が全身動作における各身体部位の運動-感覚協調関係の特定に適していることが確認した。◆電気刺激パターンによる指角度感覚代行の学習過程に対する音声情報の影響を調べた。結果,音声情報が電気刺激パターンと指角度の関連付けを促進する効果は明らかにした。よって,従来バイオフィードバックに必要とされている視覚情報の代わりに,音声を用いる可能性を示し,視覚処理に由来する使用者の認知負担を軽減することが期待できる。◆さらに,感覚フィードバックにおける自己運動(self-action)の影響について調べた。自己動作が感覚フィードバックに識別バイアスに与えることを確認し,バイオフィードバックを行なう場合,運動-感覚協調を考慮する必要があることを明らかにした。本提案は義手、義足などの機能補助機器とその使用者身体間の動的協調の実現を目指すものである。本提案は、筋電義手とその使用者の動的協調の実現を具体例として用い、そのインターフェースの構築を試みる。H20年度中、動的動作に関する使用者の意図識別においては、H19年度で採取した上肢運動関するデータの解析、モデリング、及び動的動作識別法の構築を行った。また、感覚フィードバックにおいては、H19年度で実践した音声と電気刺激を用いる指動作に対する感覚提示法を肩腕手複合体動作に拡張し、実験によって確かめ、感覚提示法を確立した。具体的な成果は、以下の3項目に分けることができる。1上肢運動全体のセンシングによる運動意図検知申請者らがすでに補助機器と使用者の双方向適応を可能にする相互適応型学習法を提案、開発、また検証してきた.しかし、その方法はスタティックな制御においてしか実現していなかったために、動的な動作に適応できるように拡張する必要がある.本研究は、肩の筋活動や動きから前腕の動作と動作の過程を推測するための特徴量を確立し、それを用いて、動的補助動作における人運動特性の個人差と時間変化性に対応できるように相互適応型学習法を拡張した。2上肢肩腕手複合体動作の感覚フィードバックHl9年度で実践した音声と電気刺激を用いる指動作に対する感覚提示法を肩腕手複合体動作に拡張し、より明確にフィードバック信号の最適時空間特徴を把握するために、異なる刺激パラメータ及び刺激パラダイムに対する患者の反応を評価する実験を行った。3肩腕手複合体における意図識別と動的フィードバックの統合、検証肩腕手複合体を構築し、項1)と項2)で確立した動的動作における意図識別法と感覚フィードバック法を統合し、検証実験を行い、その有効性を確認した。本提案は義手、機能的電気刺激などの生体機能補助機器とその使用者身体間の動的協調の実現を目指すものである。本提案は、筋電義手とその使用者の動的協調の実現や機能的電気刺激装置による歩行支援を具体例として用い、そのインターフェースの構築を試みる。H21年度中、動的運動意識識別とフィードバックの統合;ダイナミカルカップリングカップリング検証実験を行った。具体的な成果は以下の3項目に分けることができる。1)H19,H20年度で確立した動的動作における意図識別法と感覚フィードバック法を統合し、検証した。具体的には、モデルや計測によって得られた動的過程における求心性活動情報を参考に、意図識別できた動的動作の過程に応じて、音声や電気刺激によって運動状態(位置、速度)を提示し、機器使用者と使用者間のカップリングを目指す動的インターフェースを構築した。

2)健常者10名を対象に、リーチング、グラスピング時外乱条件下の遂行性や認知負担の軽減を評価項目として、確認実験を行った。実験においては,健常者の手の動きに影響を与えないように、被験者の前腕に装具を介して義手を装着し、被験者を2つのグループに分け,それぞれ従来の静的インターフェースと動的インターフェースを用いて実験を行った。記録された関節軌跡やセンサーログを分析した結果、その有効性を確認した。3)機能的電気刺激による歩行支援においては、歩行位相を両足に付けている加速度センサーの信号から検出し、その位相に応じて、電気刺激信号を送ると同時に、位相遷移に応じて、音声や電気刺激によって運動状態(位置、速度)を提示するシステムを実装した。歩行障害者2名によって、検証実験を行い、有効性を確認した。
ビフィズス菌摂取による認知機能改善効果の検討

MCI患者へのビフィズス菌投与による認知機能改善効果を、in vivoではアルツハイマーモデルマウスを用い、ビフィズス菌投与による認知機能改善効果を評価する。また、ヒトおよびin vivoともに、ビフィズス菌投与前後の腸内細菌叢解析(次世代シーケンサー)を比較検討することにより、ビフィズス菌投与による腸内細菌叢の変化と病態との関連も明らかにする。
3Dデザイン発想支援における感性の働きの解明と感性評価構造モデルの構築

本研究は、3Dデザイン発想支援として感性の働きを明らかにするために、印象実験を用いて脳反応とパーソナリティテスト結果を総合的に分析して行った。平成13年度には、簡単な印象実験と脳反応測定をパイロット実験として行った。その結果をもとに、平成14年度には、印象実験における脳反応測定として、3Dの製品をQTVR観察、触れずに見るだけの実物観察、実物を触れながら観察するという3つの異なった環境を与え、それぞれの状況で受けた製品の印象をスケッチと粘土モデルで表現することで行われた。スケッチや粘土モデルによる表現は、知能を使わず、感覚的で感性的な印象がそのまま排出されやすく、感性情報として大きな役割をする。脳反応を測定においては、集中度、興味度、リラックス度を主に把握した。印象実験で新しい形を創造するときの脳波とほぼ一致する脳波が観測された行動を取り出してみた。複雑で立体的な3Dパズルを解ける行動と創造するときの脳波が被験者全員にほぼ一致するような結果が見られた。これによって、デザインの創造性を支援する教育プログラムとして、より楽しく集中しやすい質の高い創造を導き出すために、教育機器の開発など発想支援の可能性が見受けられた。現在、様々な認知行動(例えば、本を読む、辞書を調べる、絵を鑑賞するなど)と3次元物体の鑑賞行動との比較とその印象表現における脳波を計測するため、パイロット実験を行っている。脳波計測においては音や体の動きなどがノイズとして発生しやすく、実験で行う印象評価は被験者が手を動かしてスケッチをしたり、モデルを作ったりする作業で行われるので、そのノイズを最小限にする脳波電極のつけ方を工夫している。印象実験としては、3Dの製品をQTVR観察、触れずに見るだけの実物観察、実物を触れながら観察するという3つの異なった環境を与え、それぞれの状況で受けた製品の印象をスケッチと粘土モデルで表現することにした。スケッチや粘土モデルによる表現は、知能を使わず、感覚的で感性的な印象がそのまま排出されやすく、感性情報として大きな役割をする.さらに印象実験を行う間、脳反応を測定し、集中度、興味度、リラックス度を主に把握した。粘土モデルは、製品に対する印象が初期的で原始的であるといえる。それらを非接触3D形状測定器でCGデータに変換し、その形をCGプログラム上で変形するなど、デザイン発想のベース形状として応用可能な初期印象モデルとして発展させた。本研究の業績として、平成13年にはSCI2001(5^<th> World Multi-Conference on Systemics,Cyberneticsand Informatics, pp.386391)で優秀論文賞を受賞した。平成14年には、イギリスのTaylor & Francisという出版社からPleasure With Products : Beyond Usabilityが出版され、Design based on Kansei(pp.219229)というタイトルで紹介された。
汚染恐怖の病態理解に向けた嫌悪的な触質感の感性的質感認知研究

汚染恐怖は環境内の汚染源を過剰検出する病態と捉えられる。そこで本研究では,嫌悪感を喚起する質感として湿り気に注目し,その視覚検出過程を検討した。心理物理学的実験の結果,実験参加者は視覚呈示された刺激の水分量を正確に評価でき,その評価は物体表面に分布する高輝度領域数によって正確に予測できた。加えて,湿り気に関連する質感のなかでも,特にヌメリが嫌悪感や汚染リスク推定に影響していた。さらに,嫌悪感受性の高い者においてのみ,知覚時の嫌悪感が感染症への懸念に結びつきやすかった。以上より,汚染恐怖の病態を理解するうえでは,湿り気の視覚検出過程とともに,より高次の評価過程にも注目する必要性が示唆された。H27年度は,嫌悪を伴う視覚的触質感を認知させる対象物の光学的特性について検討するために,文献調査を行った。さらに,特定の光学的特性を有する刺激画像を作成するための技術確立に取り組んだ。そのうえで,実際に作成した画像を用いた実験を行った。まず,嫌悪的な質感を認知させる対象物の光学的特性については,先行研究を概観した結果,嫌悪的な触質感は,湿り気や粘稠性といった触覚次元を伴うものであることが示唆された。加えて,光学的特性だけでなく,対象物の名称等の意味的性質が認知される質感に影響することを示す実験結果が得られた。以上から,対象物の意味的性質を同一にしたうえで,湿り気や粘稠性を認知させやすい光学的特性を特定することが必要であると考えられた。これを実現するために,様々な光学的特性を有する刺激画像の作成手法の確立に取り組んだ。結果として,specularやdiffuseといった反射特性だけでなく,subsurface scatteringや透明度を操作することによって,幅広い光学的特性を有する3D画像を作成できることが明らかとなった。さらに,そうして作成された3D画像を実験刺激とした質感評価実験を行った。実験においては,光学的特性の異なる3D画像を2枚同時に視覚呈示し,濡れた質感について一対比較法で評価するよう求めた。その結果,濡れ感の質感評価値は,画像の輝度ヒストグラムの歪度や,輝度値の分散,さらにはグレーレベルの同時生起行列に基づくentropyやcontrastといった統計値によって,かなりの程度予測可能であることが示された。この結果は,嫌悪的な視覚的触質感が,対象物の光学的特性という物理的な刺激特性によって影響を受けていることを示しており,今後の研究を進展させるうえでも重要な知見であると言える。当初の計画では,3D画像を用いた実験に先立って,2D画像による実験を行う予定であった。しかし,文献調査の結果から,3D画像による実験の実行可能性がより高いものと考えられたため,計画の順序性を変更し,3D画像による実験を前倒しで行った。結果として,計画の進行は順調である。平成28年度には,視覚入力された物体表面の画像について,濡れ感の質感評定を求め,その尺度値を画像統計量によって回帰する,心理物理学的実験を実施した。これは,嫌悪感を惹起する嫌悪的な触質感の光学的基盤を明らかにし,行動免疫システムの検出機構について検討するためであった。拡散光と自己発光のパラメータを定量的に操作した3D画像を呈示刺激とした一連の実験を行った結果,濡れ感の尺度値は,拡散光によって高精度に予測できることが示された。これは,照明の条件によって生じる物体表面の素材と光沢領域のコントラストが,濡れ感の視覚的検出に利用されていることを示している。この実験では,物体表面の形状と,物体そのものの概念を統制するために,同一の3Dモデルを用いて刺激作成を行ったが,その問題点として,そもそも濡れ感の感覚量が小さいことを挙げることができた。上記の問題点を踏まえ,次いで2D画像を刺激とした実験を行った(n = 15)。この実験では,まず小麦粉と着色用のココアパウダーを一定比率で投入した混合物に,一定量の水を順次加えて材料を混成し,それに一定条件の照明を当てたうえで撮影した2D画像群を刺激に用いた。これは,刺激となる材料の水分含有比率を定量的に操作するための撮影方法であった。これを視覚呈示し,濡れ感の強さを基準とした順位付けを求める実験を行った結果,順位付けから得られた各画像の尺度値は,材料の水分含有比率と線形近似していた。被験者がどういった光学的情報をもとに,こうした正確な判定を行うことができたのかを明らかにするために,画像統計量による回帰分析を行ったところ,画像に含まれる輝度領域の個数が最も有力な予測変数であることが示された。上記の結果は嫌悪的な触質感の光学的基盤となる画像統計量を明らかにしたものであり,平性29年度計画の土台となるものである。当初の研究計画から若干の変更はあったものの,刺激作成の手続きを確立し,さらに,既にそれを用いた汚染リスク判定の実験も開始している。それらの成果は複数の学会にて発表しており,成果の公表についても順調に進展している。H29年度には,濡れ質感と嫌悪感情との関係を検討した。含水量を定量化したdoughの画像を刺激とした感性評価実験により,濡れ感,ヌメリ,ベタツキといった質感の評価値とともに,嫌悪感,回避動機,汚染リスク推定などの認知・感情的な評価値を得た(n = 20)。この結果について,認知・感情的な変数を予測する要因について解析した。

まず,濡れ質感をxとした場合には,すべて逆U字型の二次曲線に近似していた。これは,水分量が中程度である場合に,最も嫌悪的と認識されることを示したものであった。そこで,それに対応する質感評価項目であるヌメリとベタツキを説明変数とした重回帰分析を行ったところ,接触回避や汚染リスク推定といった接触を前提とした評価値については,特にヌメリが良く予測していた。ここから,水分を含む刺激に対する嫌悪反応は,対象のヌメリ感によって影響を受けていることが示された。また,含水量とベタツキおよびヌメリの関係は逆U字型の二次曲線に近似しており,それぞれピークがやや異なっていた。一方,それらの質感と高輝度領域個数の関係について,ベタツキでは同じく逆U字型の二次曲線に近似したが,ヌメリについてはヌメリについては予測の精度が比較的低かった。このことから,ヌメリについては他の光学的要因や,トップダウン過程に含まれる認知的要因が影響するものと考えられた。これに加えて,嫌悪感受性と感染脆弱性を用いて個人差を検討したところ,嫌悪感受性の高い者に限り,感染脆弱性と嫌悪反応や汚染リスク推定とが強く相関していた。これは,嫌悪感への感受性が高い場合に,水分に関する質感が感染症等の疾患と結び付けられやすくなることを示した結果であった。以上の結果から,汚染恐怖の病態に関して,心理物理学的な観点から一定の理解を得ることができた。これらの成果はH29年度中の学会等で発表された。汚染恐怖は環境内の汚染源を過剰検出する病態と捉えられる。そこで本研究では,嫌悪感を喚起する質感として湿り気に注目し,その視覚検出過程を検討した。心理物理学的実験の結果,実験参加者は視覚呈示された刺激の水分量を正確に評価でき,その評価は物体表面に分布する高輝度領域数によって正確に予測できた。加えて,湿り気に関連する質感のなかでも,特にヌメリが嫌悪感や汚染リスク推定に影響していた。さらに,嫌悪感受性の高い者においてのみ,知覚時の嫌悪感が感染症への懸念に結びつきやすかった。以上より,汚染恐怖の病態を理解するうえでは,湿り気の視覚検出過程とともに,より高次の評価過程にも注目する必要性が示唆された。今後は,H27年度に確立した3D画像の作成手法をさらに発展させ,より多様で,より湿り気や粘稠性の印象の強い刺激を作成していく。さらに,湿り気や粘稠性を有する自然物の2D画像を収集し,その感性評価値を得ることで,嫌悪的な視覚的触質感の光学的基盤を明らかにしていく。それらの結果をもとに,汚染恐怖者に対する感性評価実験を行い,汚染恐怖の病態に感性的質感認知がどのように関与しているのか明らかにしていく。これらの計画を可能とするために,実験実施や資料整理を専門とする補助員を雇用するなど,マンパワーを確保していくことが必要である。H29年度においては,過年度の知見を用いた実験を順次行うことで,当初の研究目的を達成することが可能であると見込まれる。それを可能とするために,実験の実施を担う人員を確保するなど,様々な方策を実行している。加えて,論文執筆も並行して進めることにより,さらに広範囲に研究成果を発信する予定である。臨床心理学刺激画像作成のために,高いスペックを有するPCを購入する必要があった。これについて,当初は500千円の予算を充てていたが,実際には380千円程度で購入することができた。その結果,約120千円程度の次年度使用額が生じた。
液状化と流体移動：その多様性を実験と無次元数を用いて理解する

液状化が起きるための振動条件は何が決めているのだろうか。この問いに答えるために浅部に低浸透率層を持つ液体に浸された粒子層を鉛直に振動させる実験を(a)加速度と周波数、(b)液体の粘性率を変えて行なった。その結果(i)低浸透率層の下に液体が貯留されて重力不安定が起きること、(ii) (i)が起きるための臨界加速度が存在しその値が最小となる周波数があること、(iii)粘性率が高くなると臨界加速度が小さくなること、が分かりその物理を説明した。本結果は振動の加速度と速度の両方が液状化のために重要であり、高粘性率液体中では粒子間の潤滑の効果により液状化しやすくなる場合があることを示している。本年は昨年度構築した鉛直加振による液状化実験装置を駆使して、パラメータを系統的に変えた実験と解析を大学院生が主体的になって進めた。実験は液体に浸された粉粒体の層を鉛直に加振する、というものである。粉粒体の層は上層が細粒、下層が粗粒となっており、上層は上方向に流れる液体にとって浸透率のバリアーとなっている。昨年度の研究から、この系を鉛直加振した時、臨界加速度以上になると、粒サイズの異なる2層の間に水が十分に貯留されて重力不安定が生じ、火炎構造が形成されることが分かっている。今年度は実験をさらに進めて、加振の加速度を2桁、周波数を3桁変え、合計100以上の場合について実験データを得た。そして高解像の画像解析によって液状化に伴って形成される振幅を定量化し、振幅の大きさに応じてレジーム分けを行い、レジームダイアグラムを作成した。その結果、特に振幅が大きい火炎構造が形成されるためには臨界加速度が存在すること、またその加速度が周波数に依存し、100Hz程度において臨界加速度が最小となることを示した。そしてこの臨界加速度とその周波数依存性を加速度、エネルギー、ジャーク(加速度の微分)の3つの物理量が臨界値以上になることで良く説明できることを示した。さらに間隙流体の粘性率が水の15倍の場合について実験を行い、その結果、水の場合に比較してより低周波数の振動下においても火炎構造が出来ることを示した。これは粘性の高い流体の中では、粒子の沈降速度が遅くなるため、液状化状態を維持しやすいためと理解できる。水で飽和した地盤は地震等に起因する振動が十分大きくなると液状化し、間隙水圧が上昇した結果、噴砂の形で水が噴出することが知られている。また大規模な噴砂の形として、ある特徴的な間隔を持った泥火山が形成されることも知られている。このような液状化とその帰結の多様性は何が支配しているのだろうか。泥火山のような地形は、火星表面においても見つかっている。重力の異なる惑星において液状化する条件は異なるだろうか。マグマだまりのように結晶とメルトが混在している場においても地震波により液状化が起き、誘発噴火につながる可能性が指摘されている。しかし水と粘性の異なる液体の系の液状化の条件は十分に分かっていない。液状化の模擬実験は、土木工学の分野で多く行われてきた。しかし、実際の土壌を使った実験が多く、振動の加速度、周波数、また構成する土壌の粒径を変えた時に、どのような現象が起きるかについては十分に調べられていない。そこで私達は物理学の視点に立ち、液状化の多様性を無次元パラメータを用いて整理することを目的に研究を行っている。そのために、液体で飽和した浸透率の異なる2層からなる系を鉛直方向に振動させ、加速度、周波数を変えた時の振る舞いを調べることを行った。その結果、加速度・周波数のパラメータスペースで3通りの異なった振る舞いが見られること、また加速度が負の浮力を超過すると噴砂を引き起こす液状化が起きること、その時の特徴的な間隔と線形安定論の結果を組み合わせることにより粉粒体層全部ではなく、一部のみが流動していることが示唆されること、が分かった。これらは、私達の知る限り、過去により実験により実証されたことはなく、新しい知見といえ、液状化現象に新しい視点をもたらすことにつながる。本年度の1つ目の成果は昨年度までに得られた浅部に低浸透率層がある場合の水に浸された粉粒体の振動実験の結果を査読付雑誌に論文として出版し、その内容を国際学会(AOGS2014)で発表を行ったことである。またこれらの成果を含む総説を執筆し、出版した。2つ目の成果は液体が水よりも高粘性の場合の実験とその解析を行ったこと、さらにその結果を理解するためのレオロジー測定を行い、それらの成果をまとめた論文を執筆したことである。間隙流体の粘性率が高くなると、(1)液状化が起きるための臨界加速度が小さくなること、(2)不安定の波長が短くなること、(3)ストークス速度を使ってスケールした不安定成長速度が速くなること、が発見された。また粉粒体が水に浸された場合と同様に、振動の周波数が100Hz程度で特に液状化が起きやすいことが確認された。粉粒体を液体に浸して周期的にせん断するレオロジー測定を行い、高粘性流体中の方が小さい応力で液状化することが分かった。以上より、(1)の原因は高粘性流体の方が潤滑が起き易いためと結論付けた。

そして線形安定論の結果を応用することのより、(i)流動化している層は厚さ1mm程度の薄い境界層に限られること、(ii)上層の粘性率/下層の粘性率は、間隙流体の粘性率が高い程、小さくなること、と推定した。そして(ii)の結果は高粘性流体程、顕著なshear thinningが起きること、即ち同じく、潤滑効果のためと結論付けた。3つ目の成果は間隙流体が空気の場合についても粉粒体の斜面を同様に振動させる実験を行ったことである。液体で浸された場合と同様に、100Hz程度で粉粒体が流動化しやすいことを確認した。一方で液体を含む場合とは異なる現象もいくつか見られた。地震による液状化はマグマのように水よりも粘性率の高い液体に浸された粒子系においても起き得る。昨年度は水の15倍の粘性率を持つ液体に浸された、上部に低浸透率層を持つ粒子系の鉛直振動実験を行なった。今年度はその結果を論文として投稿し、査読、改訂を経た後に出版した。論文の主要な結果は以下の通りである。(1)粘性率が高くなると、浸透率の不連続面で起きる重力不安定の波長が短くなる。また不安定の成長速度はストークス沈降速度の違いで予測される速度よりも速くなる。(2)粘性率が高くなると、より低い加速度、広い周波数帯域で液状化がおきる。(3)液体に浸された粒子系のレオロジー測定を行ない、(2)の結果は粒子間の摩擦が粘性流体により潤滑され低下するためであることが示された。以上の結果は地球惑星科学連合2015年大会で発表した。さらに上の研究を踏まえて以下の2つの実験を進めた。1つ目は上部に低浸透率層を持つ2層系の各々の層厚を変えた場合の実験とその解析を行った。その結果、上層が厚くなると重力不安定の成長速度が遅くなり、その波長が長くなること、液状化が起きなくなる臨界上層厚が存在すること、不安定の最大振幅が極大となる上層厚が存在することが分かった。これらの結果は上層厚が厚くなると、粒子間の摩擦がクーロンの法則に従い増大するため、上層の実効的な粘性率が高くなるためと解釈できる。上記の結果は地球惑星科学連合2016年大会で発表する予定である。本年度は下層厚依存性を解明することに加えて、圧力及び比抵抗の測定を導入し、これまで行なってきた画像解析のみでは分からなかった物理量の測定を行なう。2つ目は空気中及び水中において、鉛直振動下における斜面崩壊の実験と解析を行った。そして崩壊が起きる臨界加速度を異なった液体の場合について統一的に説明するスケーリング則を導出した。液状化が起きるための振動条件は何が決めているのだろうか。この問いに答えるために浅部に低浸透率層を持つ液体に浸された粒子層を鉛直に振動させる実験を(a)加速度と周波数、(b)液体の粘性率を変えて行なった。その結果(i)低浸透率層の下に液体が貯留されて重力不安定が起きること、(ii) (i)が起きるための臨界加速度が存在しその値が最小となる周波数があること、(iii)粘性率が高くなると臨界加速度が小さくなること、が分かりその物理を説明した。本結果は振動の加速度と速度の両方が液状化のために重要であり、高粘性率液体中では粒子間の潤滑の効果により液状化しやすくなる場合があることを示している。本研究の成果をまとめた論文を2つ出版したこと、成果を国際学会において発表したこと、また粘性率依存性の実験、解析が完了そ、その論文も投稿間近の状況に至ったのでおおむね順調に進んでいると評価する。また実験結果の地球科学的な示唆についての考察も進めることが出来、これを論文に加えることが出来た。
交流インピーダンス測定によるバイオセンシング法の確立

電子メディエーターとしてフェロセンカルボン酸またはオスミウムビピリジン錯体を用い、それとグルコースオキシダーゼとを溶解した電解液(pH 7)にグラッシーカーボン電極を浸漬して、サイクリックボルタンメトリーおよび交流インピーダンス測定を行った。電子メディエーターのみの測定の場合、複素インピーダンスプロットには傾きが45°の直線が現れた。この結果は、レドックス試薬の反応の電子移動が充分に速く、反応は拡散が律速していることを示している。電解液にグルコースオキシダーゼとグルコースを添加すると、インピーダンスプロットは半円を描き、その直径はグルコース濃度を増大することによって減少した。この現象は、グルコース酸化反応において酵素反応による電子移動が律速段階となっていることを示しており、プロットの直径の減少は反応速度の向上を意味している。そして、プロットより、グルコースの濃度を求める方法を確立することができた。さらに、交流インピーダンス測定法を用いると、妨害物質の影響を回避できるという結果を得た。フェロセンカルボン酸を用いた場合、アスコルビン酸の影響を除去でき、さらにオスミウムビピリジン錯体を用いると、アスコルビン酸に加え、尿酸の影響をも避けることができた。これらの事実は、バイオセンサーをはじめ、種々のセンシング技術において、妨害物質の影響を受けずに目的の物質の検知と定量を可能とする新規の手法へと展開することへの可能性を示している。電子メディエーターとしてフェロセンカルボン酸を用い、それとグルコースオキシダーゼとを溶解した電解液(pH7)にグラッシーカーボン電極を浸漬して、サイクリックボルタンメトリーおよび交流インピーダンス測定を行った。ボルタモグラムにはフェロセンカルボン酸による可逆波が現れ、複素インピーダンスプロットには傾きが45°の直線が現れた。これらの結果は、フェロセンカルボン酸のレドックス反応の電子移動が充分に速く、反応は拡散が律速していることを示している。電解液にグルコースを添加すると、ボルタモグラムは酵素反応を示す典型的なシグモイダル型に変化し、最大電流値はグルコース濃度を高くするにつれて大きくなってアンペロメトリックセンシングの挙動を示した。いっぽう、複素インピーダンスプロットはグルコースを添加すると半円を描き、その直径はグルコース濃度を増大することによって減少した。ボルタモグラムと複素インピーダンスプロットを比較することにより、複素インピーダンスプロットの直径が示す電荷移動抵抗(dV/dI)とボルタモグラムの微分値(dI/dV)の逆数とが一致することが解り、その関係を利用すると交流インピーダンス法によってもグルコースの濃度を求めることができることを明らかとした。さらに、グルコース測定におよぼす妨害物質の影響についても調べ、妨害物質として最も影響の大きいアスコルビン酸を用いた。ボルタモグラムでは電極によるアスコルビン酸の直接酸化反応が現れ、明らかにグルコース濃度測定を妨害するのに対し、交流インピーダンス測定ではその影響は皆無であり、交流インピーダンス測定法は妨害物質の影響を回避するのに有効な手段となり得ることを見出した。電子メディエーターとしてフェロセンカルボン酸またはオスミウムビピリジン錯体を用い、それとグルコースオキシダーゼとを溶解した電解液(pH7)にグラッシーカーボン電極を浸漬して、サイクリックボルタンメトリーおよび交流インピーダンス測定を行った。

フェロセンカルボン酸を用いた場合、アスコルビン酸の影響を除去でき、さらにオスミウムビピリジン錯体を用いると、アスコルビン酸に加え、尿酸の影響をも避けることができた。これらの事実は、バイオセンサーをはじめ、種々のセンシング技術において、妨害物質の影響を受けずに目的の物質の検知と定量を可能とする新規の手法へと展開することへの可能性を示している。