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機能性バイオ素材を用いたセルラーゼの分離回収およびリサイクル利用

リグニン由来の機能性バイオ素材「リグノフェノール」を吸着素材として用いるセルラーゼ分離回収,再利用システムを提案し,吸着・脱離性能について検討した。セルラーゼの吸着は,混合撹拌のみで10分以内に飽和吸着量に達し,吸着量は100mg/g(粗酵素ベース)以上に達した。針葉樹を原料とした方が吸着量は大きく,グルコースによる吸着阻害は認められなかった。pH,塩濃度制御による脱離は困難で,有機溶媒添加による沈殿回収では酵素の溶解性に問題が生じた。吸着回収後,固定化セルラーゼとして利用したとき,ネイティブ酵素の約2060%の活性を維持し,至適pHの拡大が認められた。セルロース系バイオマスの糖化に用いられるセルロース加水分解酵素・セルラーゼは、回収されることなく使い捨てにされている。ここ数年の酵素の低価格化によりセルロースの糖化、発酵によるエタノール生産プロセスが現実味を帯びる一方、依然としてセルラーゼ価格がエタノール価格に占める割合は大きい。急速なエタノール生産量増加とともにセルラーゼの供給逼迫は必死であることから、セルラーゼのリサイクル技術の早期確立が重要である。本研究では、リグノセルロース系原料を酵素糖化する際、一部のセルラーゼがリグニンに吸着することに着目し、構造や官能基が制御できるリグニン由来の機能性バイオ素材「リグノフェノール」を吸着素材として用いて、セルラーゼの分離回収およびリサイクル利用するプロセスの開発を目的としている。本年度は、針葉樹であるヒノキ心材部木粉から、p-クレゾールと72%濃硫酸を用いて、標準リグノフェノールを合成し、Trichoderma reesei由来のセルラーゼ(市販品)の吸着特性を検討した。pH5の酢酸緩衝溶液中において、セルラーゼ吸着量はリグノフェノール1gあたり最大75mgであり、10分後にはすでに飽和吸着量に達していた。この最大吸着量をもとに、液中のセルラーゼを全量吸着するためのリグノフェノールを用いたところ、液中に残存するセルラーゼ活性は消失し、完全かつ迅速なセルラーゼの回収が実現可能であることが明らかとなった。最大吸着量を示したpHは5であり、pH上昇とともに吸着量は減少し、pH12の液中では吸着現象が認められなかった。このpH依存性は、吸着セルラーゼの脱離、再利用に対して十分な示唆を与える知見である。セルロース系バイオマスの糖化に用いられるセルロース加水分解酵素・セルラーゼは、回収されることなく使い捨てられている。ここ数年の酵素の低価格化が進んでいるが,バイオリファイナリー技術の導入促進につれ,セルラーゼの供給が逼迫することが予想され、セルラーゼのリサイクル技術の早期確立が重要である。本研究では、構造や官能基が制御できるリグニン由来の機能性バイオ素材「リグノフェノール」を吸着素材として用いて、セルラーゼの分離回収およびリサイクル利用するプロセスの開発を目的としている。本年度は、セルラーゼ吸着量に大きな影響を与えると考えられるリグノフェノールの水中での分散性や凝集構造に着目して研究を行った。リグノフェノールとして,針葉樹であるヒノキ心材部木粉から、p-クレゾールと72%濃硫酸を用いて、リグノクレゾールを合成した。水中において分散性のよい画分,沈降しやすい画分を遠心分離により分けて,それぞれについてモデルタンパク質BSAを用いて吸着を測定したところ,吸着量に差が認められなかった。粒径分布測定により分散画分の粒径は凝集画分より小さいことが確認され,両者で吸着量に差がないことは,タンパク質の吸着が,リグノフェノール凝集粒子表面への吸着ではなく,凝集構造の内部に内包される形式であることを示唆する。そこで,一度リグノフェノールをアセトンに溶解し,エーテル,ヘキサン,クロロホルム等の貧溶媒を用いて再沈殿させ,異なる凝集構造を有するリグノフェノールを調製したところ,吸着量に大きな差が認められた。以上より,リグノフェノールによるタンパク質吸着には凝集構造の制御も重要であることを明らかにすることに成功し,最終年度では分子構造と凝集構造双方の制御によるセルラーゼ吸着量最大化を目指す。本研究は,構造や官能基が制御できるリグニン由来の機能性バイオ素材「リグノフェノール」を吸着素材として用いて,セルラーゼの分離回収およびリサイクル利用するプロセスの開発を目的としている。本年度は,吸着素材の分子構造変換に基づくセルラーゼ回収能の向上を目指して,(1)素材主原料としてユーカリ・グロビュランスを利用,(2)コルベシュミット反応による吸着素材のカルボキシル化,(3)水熱反応による親水的凝集構造への変換に取り組んだ。ユーカリはオーストラリア,チリなどで日本企業により大規模に植林され,製紙原料として大量に供給されているため今後原料として大変有望であるが,セルラーゼ吸着量はヒノキの2/3程度であり,広葉樹リグニン特有の分子構造による阻害に起因すると考えられた。カルボキシル基などの親水基はリグノフェノール粒子の分散性向上に寄与することが期待される。

コルベ・シュミット反応は,フェノールのカルボキシル化反応として,サリチル酸製造などの工業的なプロセスであり,フェノール系高分子であるリグノフェノールへの適用を狙った。フェノールのカルボキシル化と同条件ではカルボキシル化できないことが確認された。反応に無関与な溶媒の利用,またその媒体への分散性向上が今後の鍵となる。リグノフェノールの緩和な水熱処理では,ベンジル位エーテル結合の開裂が主反応であることを確認したが,より高温の条件ではベンジル位結合の生成により三次元化が進むことが示唆され,酵素吸着量が減少するデータを得た。セルラーゼのリサイクル利用に関しては,(4)リグノフェノールからのセルラーゼ脱離に対する塩濃度,pH,界面活性剤の影響,(5)有機溶媒による脱離,などに関して詳細な検討を行い,(4)では20%程度しか脱離できず,(5)は脱離に関して優位性があるが,分離されたセルラーゼの溶解性が減少し,失活を防ぐ改善が今後必要となる。
Brook転位を基盤とする[3+2]アニュレーションの反応機構に関する研究

われわれが開発した,アクリロイルシランとケトンエノレートとの反応を用いる[3+2]アニュレーションの反応機構に関して研究を行い,以下のような知見が得られた.1.アクリロイルシランのβ置換基の違いに依存して,生成物あるいは生成物分布が大きく変化する結果は,β置換基のαカルバニオン安定化能に依存する二つの競合する経路により説明することができる.フェニルチオ基のようにアニオン安定化能が大きい場合,1,2-付加体のBrook転位により生成するカルバニオンが速やかにアリル非局在化し,引き続く分子内アルドール反応によりシクロペンテノールを与える.アクリロイルシランのgeometryは非局在化の段階で失われるので,生成物の立体化学は原料のE/Z比に依存しない.3.トリメチルシリル基のαカルバニオン安定化能はフェニルチオ基と比較してかなり小さいことがわかった.したがって,β-トリメチルシリル体の場合,Brook転位により生成するカルバニオンはアリル非局在化の前にカルボニル基により捕捉され,ビニルシクロプロパンを生成し,そのオキシアニオン加速ビニルシクロプロパン-シクロペンテン転位により立体選択的にシクロペンテノールを与える.4.3.のビニルシクロプロパン転位の立体選択性は,五配位型ケイ素を含むキレーションを含む平衡の存在,そしてキレーションによる転位の加速により説明が可能なことを,ビニルシクロプロパノレートを別ルートで合成する事により明らかにした.われわれが開発した,アクリロイルシランとケトンエノレートとの反応を用いる[3+2]アニュレーションの反応機構に関して研究を行い,以下のような知見が得られた.1.アクリロイルシランのβ置換基の違いに依存して,生成物あるいは生成物分布が大きく変化する結果は,β置換基のαカルバニオン安定化能に依存する二つの競合する経路により説明することができる.フェニルチオ基のようにアニオン安定化能が大きい場合,1,2-付加体のBrook転位により生成するカルバニオンが速やかにアリル非局在化し,引き続く分子内アルドール反応によりシクロペンテノールを与える.アクリロイルシランのgeometryは非局在化の段階で失われるので,生成物の立体化学は原料のE/Z比に依存しない.3.トリメチルシリル基のαカルバニオン安定化能はフェニルチオ基と比較してかなり小さいことがわかった.したがって,β-トリメチルシリル体の場合,Brook転位により生成するカルバニオンはアリル非局在化の前にカルボニル基により捕捉され,ビニルシクロプロパンを生成し,そのオキシアニオン加速ビニルシクロプロパン-シクロペンテン転位により立体選択的にシクロペンテノールを与える.4.3.のビニルシクロプロパン転位の立体選択性は,五配位型ケイ素を含むキレーションを含む平衡の存在,そしてキレーションによる転位の加速により説明が可能なことを,ビニルシクロプロパノレートを別ルートで合成する事により明らかにした.われわれが開発した,β-ヘテロ原子置換アクリロイルシランを用いる新しい[3+2]アニュレーションの反応機構の解明を目的として,中間体と考えている(2-(2-(trimethylsilyl)ethenyl)cyclopropanolateの別経路による合成,およびアクリロイルシランのβ置換基のα-カルバニオン安定化能と生成物分布との関係に関する検討を行った.cyclopropanolateは,対応するdienol silyl etherとacetoxy Fischer carbene錯体との反応により合成したcyclopropyl acetateに対し2当量のMeLiを反応させることにより発生させることができ,その結果,[3+2]アニュレーションの場合と同様の生成物および生成物分布を与えることが判明した.さらに,β位にヘテロ原子を持つアクリロイルシランとエステルエノレートとの反応により生成する1,2-付加体の塩基触媒下におけるBrook転位の速度を比較することにより,従来明らかではなかったヘテロ原子のα-カルバニオンの安定化能を評価できることがわかった.この系を用いることにより,フェニルチオ基とトリメチルシリル基でそのα-カルバニオンの安定化能に大きな違いがあり,フェニルチオ基の方がはるかにαカルバニオンの安定化能が大きいということを明らかにすることができた.以上の結果から,われわれが提出した[3+2]アニュレーションの反応機構は大筋で正しいことがわかった.その詳細については,来年度引き続き検討する予定である.昨年度の研究において,われわれが開発した[3+2]アニュレーションの反応機構のアウトラインを明らかにすることができた.すなわち,アクリロイルシランのβ位置換基のα-アニオン安定化能の違いに依存する二つの経路を経て進行するもので,アニオン安定化能が大きいフェニルチオ基の場合は非局在化アリルアニオン中間体を,一方,フェニルチオ基に比べてアニオン安定化能が小さいβ-トリメチルシリル体では,ビニルシクロプロパノレートを生成した後そのオキシアニオン加速ビニルシクロプロパン転位を経てシクロペンテノールを与えるというものである.しかし,ビニルシクロプロパノレートの立体化学に依存せず1種類のシクロペンテノールを与える立体過程は,協奏的1,3-シグマトロピー転位では説明が困難であり,不明であった.今年度は,このオキシアニオン加速ビニルシクロプロパン転位の立体化学をコントロールする因子として,五配位型のケイ素を含むキレーションに着目し,次のような二つの実験を行った.

一つは,溶媒の極性の低下によるキレーション構造の不安定化を利用するもので,テトラヒドロフランからトルエンに置き換えることにより,予想通りの結果を得ることができた.二番目は,ケイ素上の置換基として五配位型構造を安定化するフェニル基を持つ化合物を合成し反応を行った.その結果,ケイ素のキレーションの介在を示唆する結果が得られ,われわれの提出した仮説を証明することができた.
ビッグデータ利活用技術習得に向けた公共職業訓練カリキュラムモデル構築に関する研究

本研究の目的は、ものづくり現場の実践技術者を対象としたビッグデータ利活用技術者の人材育成を行うカリキュラムモデルを開発し、公共職業訓練に展開することである。ただし、現行の公共職業訓練では、第四次産業革命に伴う産業構造の転換期に対応した実践技術者の人材育成を行うカリキュラムモデルが構築されていない。そのため、現行の職業訓練にビッグデータ利活用技術の要素を組込みカリキュラムを展開する必要がある。当該年度の取り組みは、公共職業訓練で展開されているカリキュラムを分析し、ビッグデータ利活用技術が展開できる内容を調査した。調査の結果、本研究の対象としている公共職業訓練における4つの分野(機械、電気、建築、電子・情報)のいずれにおいても、ビッグデータ利活用技術者の養成には、指導者・訓練生も職業訓練の現場で発生するデータを使用した可視化や分析をモデルとするカリキュラムが必要であることがわかった。IoTやAIを活用した人材育成が求められる中で、訓練中に発生する人・機械・センサからの訓練データを基にしたデータ収集・分析をカリキュラムモデルの対象とすることで、IoTやAIの技術を含めビッグデータ利活用技術を身に付けるカリキュラムの構築が可能となる。よって、当該年度は、職業訓練現場におけるプログラミング実習をターゲットとした訓練データ収集と時系列データとして一般的に入手可能なSNSデータを用いた基礎的なビッグデータ収集・分析をモデルとしたカリキュラムの構築に着手した。これらの成果により、職業訓練におけるデータ収集の方向性とカリキュラムモデルの検討が概ね完了した。現在までの進捗状況は、プログラミング実習におけるデータ収集と時系列データとして一般的に入手可能なSNSデータを用いた基礎的なビッグデータ分析カリキュラムの構築に着手しており、順調に進んでいる。現状の公共職業訓練で展開されているカリキュラムの分析結果として、IoTやAIを活用した人材育成が求められる中、訓練中に発生する人・機械・センサからの訓練データを基にしたカリキュラムとすることで、IoTやAIの技術も含めたビッグデータ利活用技術を身に付けるカリキュラムモデルの構築が可能である。訓練設備の予知保全や訓練生自身の訓練の習得度の確認にビッグデータ利活用技術をカリキュラムモデル化することで大いに活用できると考える。職種やカリキュラムをさらに絞込み重点的にクラウドコンピューティング等を利用し規格化した職業訓練データの収集と分析を行うデータ収集・分析基盤を構築する。これには、当該年度のプログラミング実習時の訓練データやSNS等の時系列データの分析手法を応用する。そのために、引き続きプログラミング実習及びSNSを用いた時系列データの収集・分析に関する研究も継続して行う。また、並行してビッグデータ利活用技術習得に必要なカリキュラムモデルを構築する。そして、訓練データモデルを用いたビッグデータ利活用技術カリキュラムを職業訓練として展開するために職業訓練指導員研修の準備を進める取り組みを行う。当該年度のカリキュラムに関する調査と小規模実験に費用が発生しなかったため。次年度は研究をより推進し、その成果を海外も含めて積極的に発表する。
過収束アイソクリスタルの研究

適切な状況で対数的過収束アイソクリスタルの圏から可積分接続付加群の圏への代数化関手のテンソル積との整合性を確かめた.pが冪零なスキーム上におけるOgus-Vologodsky対応の部分的な一般化を示した.エタール基本群が自明な代数多様体上のアイソクリスタルに関するde Jongの予想をある仮定の下で解いた.ある種の対数的代数多様体のドラーム基本群のある商に対する(最初の射の単射性も含めた)ホモトピー完全列を純代数的に構成した.ある種の対数的代数多様体の射に対する相対的副冪単ドラーム基本群について純代数的に研究し,p進的な応用も示した.p進微分方程式論の基本定理の証明の誤りの修正に取り組んだ.過収束アイソクリスタルについて,以下の(1),(2)の研究を行った.(1) Xを標数p>0の体上の開いた連結平滑代数多様体で,縁が連結平滑因子であるとし,EをX上の過収束アイソクリスタルとするとき,Eの縁への延長可能性の困難さを表す量として微分Artin導手の概念が定義される.この微分Artin導手の曲線切断による変化に関する研究を進め,縁と横断的に交わるほとんどの曲線切断により微分Artin導手は不変であるということを示した.これは昨年度までに示したことを強めた結果であるが,論文を書き上げるまでには至らなかった.(2)適当なp進非リュービル性を満たすp進数からなる集合Σを固定する.(局所モノドロミーの固有値のlog/2πiに対応する.)このとき混標数(0,p)の完備離散付値環上の適当な開半安定還元スキームXの特殊ファイバー上の対数的過収束アイソクリスタルでΣ冪単なもののなす圏からXの一般ファイバー上の可積分接続付加群でΣ冪単なもののなす圏への忠実充満関手(開スキームに対する代数化関手)が対数的延長関手,対数的代数化関手,制限関手の合成により定まる.Σが整数を法として群を成すときにこの関手がテンソル積と整合的であり,対応する淡中双対の全射を定めることを示した.(V. Di Proietto氏との共同研究)この結果を論文に纏め,投稿した.また,標数0の対数的代数多様体上の対数的可積分接続付加群について以下の(3)の研究を行った.(3)標数0の標準的対数点上の準射影的な単純正規交叉対数的代数多様体とするときに,適切な対数的可積分接続付加群のなす圏の淡中双対として定まるドラーム基本群の完全列を構成し,副可解商に対しては完全列の最初の射の単射性を示した.(V. Di Proietto氏との共同研究)論文は現在準備中である.(1) Xをpが冪零かつ滑らかなスキームとするとき,適当な仮定の下でXのフロベニウス捻り上の準冪零可積分p接続付加群の圏とX上の準冪零可積分接続付加群の圏が圏同値となり,これはOgus-Vologodsky対応の部分的な一般化となる.今年度はこの結果について書いた論文を改訂し投稿した.(2)混標数(0,p)の完備離散付値環上の開半安定還元スキームXの特殊ファイバー上の対数的過収束アイソクリスタルのなすある圏からXの一般ファイバー上の可積分接続付加群のなすある圏への代数化関手が適切な仮定の下で淡中双対の全射を定める.今年度はこの論文を修正を行い,雑誌への掲載に至った.(V. Di Proietto氏との共同研究)(3)標数0の対数的標準点上の準射影的単純正規交叉対数的代数多様体に対して,適切な対数的可積分接続付加群のなす圏の淡中双対として定まるドラーム基本群がホモトピー完全列をなし,幾何学的副三角化可能商に対しては最初の射の単射性も言える.今年度はこの定理の証明を修正し,論文の執筆を進めた.(V. Di Proietto氏との共同研究)(4)標数0の対数的代数多様体の良い射に対して,相対的副冪単ドラーム基本群が構成されるが,幾つかの定義法がある.それらの一致を証明する研究を進めた.また,この構成により副冪単ドラーム基本群へのモノドロミー作用素が定義されるが,その純代数的な計算法を研究した.(B. Chiarellotto氏,V. Di Proietto氏との共同研究)(5) de Jongは標数p>0のエタール基本群が自明で滑らかな射影多様体上の収束アイソクリスタルは自明なものしかないと予想したが,このde Jongの予想をXの微分加群の最大スロープが非正なときに証明した.また,この成果に対する論文を執筆して投稿した.(H. Esnault氏との共同研究)(1) pが冪零でかつ滑らかなスキームXに対して,適当な仮定の下でXのフロベニウス捻り上の準冪零可積分接続付加群の件とX上の準冪零可積分接続付加群の件が同値となり,これはOgus-Vologodskyによる標数pの非可換Hodge理論のある種の一般化となる.今年度はこの結果を書いた論文が雑誌への掲載に至った.

(2)アイソクリスタルの圏とエタール基本群との関係について研究した.標数p>0の代数閉体上の射影的で滑らかな代数多様体Xのエタール基本群が自明なとき,X上のアイソクリスタルが自明なものしかないことをde Jongが予想した.昨年度までの研究で,Xの微分加群の最大スロープが非正のときに,収束アイソクリスタルという収束性のよいものに対してde Jongの予想を証明したが,今年度は,Xの微分加群の最大スロープが非正のときに,局所自由な格子を持つアイソクリスタルに対して予想を証明した.つまり,収束性の仮定をある条件下で弱めることが出来た.また,幾何学的に定義されるアイソクリスタルに対しては,微分加群の仮定なしで予想を証明した.前者の証明においては局所自由クリスタルの法p還元のチャーン類の消滅が鍵であり,それ自体興味深い結果である.以上の結果を論文にまとめ,改訂作業を行った.(H.Esnault氏との共同研究)(3)標数0の準射影的正規交叉対数的代数多様体のドラーム基本群のホモトピー完全列についての結果を改良し,論文の改訂作業を行った.(V. Di Proietto氏との共同研究)(4)標数0の対数的代数多様体の良い射に対して様々な手法で定義される相対的副冪単ドラーム基本群の定義の一致を示し,これにより定まる副冪単ドラーム基本群へのモノドロミー作用の代数的計算法を求める研究を引き続き行った.(B. Chiarellotto, V. Di Proietto氏との共同研究)Ogus-Vologodskyによる標数pの非可換Hodge理論のある種の一般化の研究は,期待通り雑誌への掲載に至った.de Jongの予想に関する研究については,当初の予想を超えた観点からのクリスタルの研究が進んでいると言え,今年度もチャーン類の消滅について興味深い結果を示すことができた.対数的代数多様体のドラーム基本群のホモトピー完全列の研究については論文の改訂が予定より長く続いているが,結果の改良に成功したのでおおむね順調であるといえる.対数的代数多様体の相対的副冪単ドラーム基本群とそのモノドロミー作用の計算についての研究は,今年度行った共同研究により議論の着実な進展が見られた.総合的に見て,研究は順調に進展していると言える.(1) Xを正標数の代数閉体上の射影的で滑らかな代数多様体でエタール基本群が自明なものとするとき,X上のアイソクリスタルは自明なものしかないだろうという予想がde Jongにより提出されている.以前の研究でXの微分加群の最大スロープが非正でアイソクリスタルが収束アイソクリスタルであるかまたは局所自由な格子を持つときに予想を証明したが,今年度は論文の1つを小修正して再投稿した.また,より弱い仮定で予想を示すための研究を続けた.(H. Esnault氏との共同研究.)(2) p進穴あき円板上のp進微分方程式論の基本定理であるp進Fuchs定理およびp進局所モノドロミー定理のより強いヴァージョンがKedlayaにより示されていたが,彼の論文における証明の不完全な所や誤りを指摘し,その修正に取り組んだ.p進Fuchs定理の強いヴァージョンについては証明が修正できた.(K. S. Kedlaya氏との共同研究)(3)標数0の標準的対数点上の正規交叉対数的代数多様体に対する対数的ドラーム基本群のホモトピー完全列を純代数的に構成し,幾何的副三角化可能商に対しての最初の射の単射性を示した論文を完成させ,投稿した.(V. Di Proietto氏との共同研究.)(4)適切な条件を満たす標数0の対数的代数多様体の切断付きの射に対して,その相対的な副冪単ドラーム基本群の様々な定義が一致することを純代数的に証明した.応用として,安定対数的曲線の副冪単ドラーム基本群へのモノドロミー作用が純代数的に記述でき,Andreatta-Iovita-Kimが示した双曲的曲線のp進良還元判定条件の証明における超越的部分に純代数的証明を与えることができる.論文は執筆中である.(B. Chiarellotto氏, V. Di Proietto氏との共同研究.)
上顎犬歯窩周囲への傾斜埋入のピットフォールは？-安全性・安定性向上への指針作成

上顎のインプラント治療において、解剖学的構造上、上顎は骨量を得にくいが、前鼻棘および上顎洞前端から梨状口外縁までの犬歯窩部は骨量が十分なため、インプラント体の傾斜埋入部位として利用される。上顎インプラントを犬歯窩に傾斜埋入する際、CBCTなどの画像検査で犬歯窩周囲の骨形態と前上歯槽管の走行関係の特徴を把握することは、インプラントの太さや長さ、術式を決める要因や出血などの偶発症を防ぐ要因になると考えられた。前年度では、無歯顎の乾燥頭蓋骨22体および解剖献体2体計4体(48側)を、歯科用コーンビームCT装置で上顎骨全体の撮影をした。犬歯窩周囲の骨形態(梨状口外縁と上顎洞の内側壁で形成される部位)について、骨形態分類および近遠心的距離と頬舌側的距離の計測を行った。形態解析は、すべての症例で前鼻棘レベルから10スライスごと(1スライス=0.155mm)の計8スライス(前鼻棘、前鼻棘+10スライス+70スライス)の計測を対象とした。近遠心的距離は前鼻棘および梨状口外縁から上顎洞前端までの距離までを計測した。また、頬舌側的距離は近遠心的距離を4分割し近遠心的距離に対して垂直に皮質骨頬側面から舌側面までの距離を計測した。全体および各分類ごとの距離の平均値をそれぞれのスライスごとに算出した。1、犬歯窩周囲の形態:I型(長方形型)、II型(台形型)、III型(正三角形型)、IV型(二等辺三角形型)の4つに分類され、I型は12症例、II型は14症例、III型は14症例、IV型は8症例であった。2、近遠心的距離および頬舌側的距離:(1)近遠心的距離は上方に行くにつれて値が小さくなったが、前鼻棘+70スライスレベルではやや値が大きくなった。骨形態分類別においても、II型、IV型でも同様の傾向が認められたが、III型においては前鼻棘+60スライスレベルから上方に徐々に値が大きくなり、I型においては上方であるほど値が小さくなった。(2)頬舌側的距離は全体的評価および骨形態分類別評価においても上顎洞前端から前鼻棘および梨状口外縁に向かうにつれて値が小さくなるが、前鼻棘+60スライスレベルまで上方に行くにつれ幅も徐々に狭くなる傾向がみられ、前鼻棘+70スライスレベルで幅はやや大きくなった。購入した歯科用コーンビームCTのソフトに対応するパソコンが特注であり、パソコンが出来上がるのが予定よりかなり遅くなってしまった。それまでは研究室に置いてあった古いバージョンのソフトを用いて犬歯窩周囲の骨形態と同部の近遠心的距離および頬舌側的距離の検討していた。新しいパソコンが届き、再度距離の計測を行ったため、研究の進行が遅くなってしまった。撮像に関して、乾燥頭蓋骨および解剖献体は頭頸部のみで、撮像する際固定をするのが不安定で撮像をするのが難しく、時間がかかってしまった。検討に関しては、参照点の決定が困難であった。始めは、高さの基準を下位は前鼻棘とし、上位は眼窩下孔下縁までとし、その間を4分割し、各々の高さで近遠心的距離および距離の計測をしていたが、眼窩下孔下縁部は明瞭には画像に描出できないため、検討を変更した。今回、前鼻棘を基準に、前鼻棘レベルから10スライスごとの計8スライス(前鼻棘から+70スライスまでの範囲)の設定にしたのは、インプラントを埋入する際にそのくらいの高さまであれば高さに関して十分であるので、それを基準に再度検討を行った。近遠心的距離の検討に関しては検討しやすく研究は思うように進んだが、頬舌側的距離の検討は、皮質骨頬側面が直線的な骨形態や膨隆している骨形態、梨状口外縁部の皮質骨が彎曲している形態など様々な骨形態があり、計測の仕方が困難であった。よって、前鼻棘および梨状口外縁から上顎洞前端までの直線すなわち近遠心的距離に対して垂直に皮質骨頬側面から舌側面までの距離を計測した。以上のことから、研究の進行が遅くなってしまった。上顎インプラント治療において、高度に顎堤吸収した患者では、犬歯窩周囲にインプラントを傾斜埋入する方法が応用されることがあるが、この部位は鼻腔と上顎洞があり骨形態が不規則であることから、術前に骨形態および歯槽管の位置を十分に把握することは、安全なインプラント治療を行うためにも重要である。本研究では、パノラマと歯科用コーンビームCT(以下CBCT)の関連における犬歯窩部領域の骨形態および歯槽管の局在パターンについて検討した。方法は、解剖献体31体(62側)を、パノラマおよびCBCT装置により、上顎骨全体の撮影をした。犬歯・小臼歯部欠損グループと同歯残存グループに分け、パノラマ画像より、上顎内側壁と鼻腔外縁との関係を4つに分類した。CBCT画像では、画像上で前鼻棘が確認できるスライスを前鼻棘レベルとして高さの基準とし、前鼻棘レベルから上方10sliceごとの範囲のスライス画像(スライス厚0.155mm)計6スライス(ANSレベル、ANS+10sliceレベルANS+50slice)を計測の対象とした。犬歯窩部の近遠心的距離は、前鼻棘および梨状口外縁から上顎洞前端の距離を測定した。

また、各レベルにおいて、近遠心的距離4分割内での歯槽管の有無および面積の割合について検討した。結果は、犬歯・小臼歯部の有無による近遠心的距離および歯槽管の位置の比較で、大きな差はなかった。近遠心的距離は、どの骨形態でも上方に行くにつれて値は小さくなったが、ANS+40slice, +50sliceレベルになるとやや大きくなる傾向を認める形態もあった。歯槽管の位置は、上方に行くにつれて上顎洞前端方向に歯槽管が認められ、形態によっては近遠心的距離に対して、どのレベルでも約50%前後の面積の割合を示す形態があった。インプラント治療を行う際、骨形態もインプラントの太さや長さを決める要因になると考えられた。上顎のインプラント治療において、解剖学的構造上、上顎は骨量を得にくいが、前鼻棘および上顎洞前端から梨状口外縁までの犬歯窩部は骨量が十分なため、インプラント体の傾斜埋入部位として利用される。上顎インプラントを犬歯窩に傾斜埋入する際、CBCTなどの画像検査で犬歯窩周囲の骨形態と前上歯槽管の走行関係の特徴を把握することは、インプラントの太さや長さ、術式を決める要因や出血などの偶発症を防ぐ要因になると考えられた。1、歯槽管の関係を検討するために、解剖学的指標となる参照点から距離を計測、上顎犬歯窩周囲内での歯槽管の走行を検討する。2、解剖献体の上顎犬歯窩周囲の解剖を行い、肉眼的に脈管・神経の走行や周囲構造物とのいい関係、脈管の種類などを検討する。また、同部の切片を作製し、顕微鏡下で脈管・神経および骨の構造を観察する。3、歯科用コーンビームCTから検討した上顎犬歯窩周囲の骨形態から特徴的な形態のものを複数型抽出し、三次元画像作成・合成およびSTL形式出力用ソフトウェアを用い、骨の形態分類を行った結果を得られた形態モデルで応力解析を行う。4、犬歯窩周囲骨にインプラント治療を考える際の、骨形態の違い、脈管・神経の分布、応力分布から骨形態や強度に対応できる安全で安定な犬歯窩周囲へのインプラント埋入について、臨床にフィードバックが可能なガイドラインを提示する。そして、画像診断のガイドラインを作成する。この結果を元に発表や論文投稿を行う。28年度が最終年度であるため、記入しない。歯科放射線学28年度が最終年度であるため、記入しない。
新規Ｔｒｅｇ細胞マーカー（ＶＥＧＦＲ２）を標的としたＴｒｅｇ細胞制御療法の開発

大腸癌治癒切除症例における腫瘍局所VEGFR2+の制御性T(Treg)細胞数と予後との関連の解析を行い、大腸癌組織局所のVEGFR2+FOXP3+Treg細胞数は単独で大腸癌患者の予後予測因子であるという結果を得た。これにより、VEGFR2+Treg細胞が治療標的となり得る妥当性が得られた。この結果を受け、In vitroの解析を行い、蛋白多糖体PSK、basiliximab、Cox-2阻害剤およびbevacizumabがTreg細胞数を有意に抑制し、またbasiliximabでTreg細胞数を減少させた後で誘導した活性化リンパ球では細胞障害活性が亢進することを確認した。既存の薬剤によるTreg細胞制御の実験では、タンパク多糖体(PSK)、Cox-2阻害剤、bevacizumab、basiliximabがIn vitroでTreg細胞数を有意に抑制することを複数の検体で実験し再現性を確認した。また、basiliximabでTreg細胞数を減少後に誘導した活性化リンパ球の細胞障害活性が亢進するという結果を得た。これにより研究課題である「Treg細胞を標的とする治療法の可能性」の妥当性がIn vitroで証明出来たと考えられた。現在、VEGFR2抗原を認識したCTLを作成中であり、CTLが誘導出来次第、マウスへのVEGFR2+細胞移植系を用い、作成したCTLの障害活性を解析する予定である。制御性T細胞(Regulatory T cells:Treg細胞)は、様々な病態に対する新規治療標的として注目されている。本研究は、Treg細胞の一部にVascular endothelial growth factor receptor-2 (VEGFR2)が高い特異性を持って発現しているという発見(Suzuki, Onishi, Morisaki et al. Eur J Immunol 2010)に基づき、VEGFR2を標的としたTreg細胞制御療法を開発することを目的とした研究である。本年度は、VEGFR2の諸組織における発現解析(治療標的としての特異性および安全性の確認)および、VEGFR2のTreg細胞における機能的意義の解析(治療対象となりうる標的機能同定)を行う計画であった。以下、本年度に得られた新たな成果を記述する。VEGFR2+FOXP3+Treg細胞の生体内での分布では、VEGFR2+FOXP3+Treg細胞は大腸がん組織、転移リンパ節、PBMC、がん性胸腹水および胸腺に、Treg細胞中の約50%から75%の頻度で認められることを確認した。次にVEGFR2+FOXP3+Treg細胞の臨床的意義解析の目的で、大腸がん治癒切除症例における腫瘍局所VEGFR2+Treg細胞数と予後との関連解析を行った。その結果、大腸がん組織局所のFOXP3+Treg細胞数は、大腸がん患者の予後予測因子とはなり得なかったが、大腸がん組織局所のVEGFR2+FOXP3+Treg細胞数は、リンパ節転移や病期といった病理学的因子とは相関を示さないにも関わらず、無病生存期間および全生存期間の独立した予後予測因子であるという結果を得ている(現在論文再投稿準備中)。このことは、VEGFR2+FOXP3+Treg細胞が治療標的細胞となり得ることを強く示唆している。本年度の成果に記載したように、1大腸癌患者においてVEGFR2+Treg細胞の予後予測因子、治療標的としての意義を見出した。2さらに、抗体、シグナル経路阻害剤によってVEGFR2+Treg細胞が制御出来る可能性を見出した。大腸がん組織におけるVEGFR2+FOXP3+Treg細胞同定のため、VEGFR2の蛋白レベルでの発現を我々の開発した半定量的蛍光免疫染色法(Kai, Onishi et al. Cancer sci 2011)を応用して行った。具体的には、大腸がん組織に浸潤するCD4陽性細胞をVEGFR2、FOXP3およびDAPIで染色を行い、細胞の腸軸方向の蛍光強度をscanして蛋白の発現を半定量的に解析する方法である。その結果、蛍光免疫染色法でVEGFR2+FOXP3+Treg細胞が首尾よく同定でき、結果が得られたものと考えられる。しかし、患者の予後調査に時間がかかり、予想以上には進行しなかった。抗癌剤、抗体、シグナル経路阻害剤によるVEGFR2+Treg細胞の制御法を確立すると共に、VEGFR2関連抗原ペプチド及び抗VEGFR2抗体を作成し、25年度計画である動物レベルでの検証を行う。VEGFR2+ Treg細胞制御法の開発を行う。具体的には、1、既存の薬剤による制御既存の抗癌剤、抗体、シグナル経路阻害剤のVEGFR2+ Treg細胞の増殖に及ぼす影響を末梢血VEGFR2+ Treg細胞を標的とし、FACS解析にて網羅的に解析し、増殖抑制に関与する薬剤を検出する。2、抗VEGFR2抗体の作成

VEGFR2のペプチド配列に基づいて種々の合成VEGFR2ペプチドを設計し、VEGFR2と特異的に反応する抗VEGFR2抗体を作成する。本VEGFR2抗体を用いて1) VEGFR2+ Treg細胞の高純度の回収2)増殖を初めとする諸機能への影響、および3)抗体依存性細胞介在性障害試験(ADCC)によるVEGFR2+ Treg細胞の選択的除去の可能性を検証する。VEGFR2関連ペプチド合成関連、VEGFR2抗体作成関連、免疫不全マウス関連、及び研究成果投稿料に研究費を使用させて頂く予定である。VEGFR2関連ペプチド合成関連として300千円、VEGFR2抗体作製関連として300千円、細胞機能解析関連として200千円、Cell sorter関連として200千円、および研究成果投稿料として100千円を使用する予定である。
空間経済学の新しいアプローチ―理論，構造推定，カウンターファクチュアル―

所得効果,競争促進効果,企業淘汰効果を含む独占的競争の一般均衡理論を開発した。都市間の輸送費用と都市内の通勤費用を導入した空間経済モデルを構築し,都市規模の決定要因となる集積力と分散力を理論的に明らかにした。また,輸送費用と通勤費用の変化が,各都市の人口,地代,賃金,マークアップ率,生産性,効用に与える影響を定性的に分析した。さらに,米国都市圏データを用いて空間経済モデルを構造推定し,カウンターファクチュアル分析を行った。輸送費用と通勤費用が存在する実際の均衡と,それらを捨象した仮想的な均衡をそれぞれ定量化することにより,ヒトやモノの移動における空間的摩擦の役割を定量的に明らかにした。平成23年度に構築した所得効果,競争促進効果,企業淘汰効果を含む空間経済モデルを構造推定した。モデルの均衡条件や都市圏データなどを用いることにより,都市間の輸送費用や都市内の通勤費用といった空間的摩擦を引き起こす変数を定量化した。さらに,企業の異質性を生成するパレート分布のパラメータや,観察不可能な各都市のアメニティの値を明らかにした。こうして得られた新しい枠組みは,Krugman (1979, 1980)やMelitz (2003)の貿易理論とFujita (1989)の都市経済理論を統合しており,理論的に重要である。さらに,Anderson and van Wincoop (2003)の人口を所与とした多地域モデルの構造推定を,人口移動がある場合へ拡張しており,実証的にも重要である。また,構造モデルを用いることにより,都市間の輸送費用や都市内の通勤費用の減少が,経済活動の地理的分布,都市における競争環境や生産性に与える影響を定量的に分析できるので,本研究は政策的な観点からも有意義である。都市間の輸送費用や都市内の通勤費用といった空間的摩擦を導入することにより,多地域空間経済モデルを構築し,都市規模の決定要因となる集積力と分散力を理論的に明らかにした。さらに,米国都市圏データを用いて,多地域空間経済モデルを構造推定し,カウンターファクチュアル分析を行った。輸送費用や通勤費用が存在する実際の均衡と,それらを捨象した仮想的な均衡をそれぞれ定量化することにより,ヒトやモノの移動における空間的摩擦の役割を定量的に明らかにした。本研究で開発した新しい分析枠組みは,独占的競争の一般均衡理論において中心的な役割を果たしてきたDixit and Stiglitz (1977)の所得効果,Krugman (1979)の競争促進効果,Melitz (2003)の企業淘汰効果を同時に考慮しつつ,既存の貿易理論と都市経済学を統合しており,理論的に重要である。また,本研究の構造推定は,Anderson and van Wincoop (2003)の人口を所与としたときの多地域モデルの構造推定を,人口移動がある場合へ拡張しており,実証的にも重要である。さらに,カウンターファクチュアル分析により,輸送費用や通勤費用の変化が,各都市の人口,地代,賃金,マークアップ率,生産性,効用に与える影響を定量化できるため,本研究は政策的な観点からも意義がある。平成23年度は,所得効果,価格競争効果,企業淘汰効果を考慮した独占的競争の一般均衡理論を構築した。はじめに,所得効果,価格競争効果を考慮したBehrens and Murata (2007)のモデルに企業の異質性を導入し,企業淘汰効果を導出した。企業の生産性は,Melitz and Ottaviano (2008)にしたがって,参入後に判明するパレート分布の実現値で表現した。その後,空間的摩擦を導入し,多地域モデルを構築した。都市間の輸送費用と都市内の通勤費用は,Murata and Thisse (2005)と同様にiceberg型と仮定した。消費者の居住地選好の異質性は,Tabuchi and Thisse (2002)やMurata (2003)のように二重指数分布の実現値で捉えることにした。このように構築された空間経済モデルの比較静学分析を行った。多地域モデルの特殊ケースである単純な2地域モデルの枠組みで,都市規模の決定要因となる集積力と分散力を理論的に明らかにした。さらに,輸送費用と通勤費用の低下が,各都市の人口,地代,賃金,マークアップ率,生産性,効用に与える影響を定性的に分析し,これらの変数が都市間で収束する傾向にあることを明らかにした。2地域モデルの解析的結果は,多地域モデルに基づく構造推定やcounterfactual分析の結果を解釈するうえで重要な役割を果たすことになるだろう。

社会科学交付申請書どおりに研究の目的を達成できたため。当初の研究計画どおりに理論分析を終了できたため。構造推定された空間経済モデルを用いて,counterfactual分析を行う。都市内の通勤費用や都市間の輸送費用を捨象した仮想的な均衡と,それらが存在する実際の均衡をそれぞれ定量化することにより,ヒトやモノの移動における摩擦の役割を空間経済学の枠組みを用いて明らかにする。特に,都市内の通勤費用や都市間の輸送費用が都市規模分布,各都市の人口,競争,生産性にとってどの程度重要なのかを定量的に明らかにする。平成23年度に構築した理論に基づいた構造推定やcounterfactual分析を通じて,さまざまな政策効果を明らかにする。特に,都市内の通勤費用や都市間の輸送費用の変化が,均衡における各都市の人口,地代,賃金,マークアップ率,生産性,効用に与える影響を定量的に分析する。さらに,通勤費用や輸送費用を捨象した仮想的な均衡と,それらが存在する実際の均衡をそれぞれ定量化することにより,ヒトやモノの移動における摩擦の役割を空間経済学の枠組みを用いて明らかにする。現有の設備や電子メールなどを利用することにより,物品費や旅費の支出を次年度に先送りした。平成23年度に構築した理論が解析的に分析できたため,設備備品費を削減できた。次年度の研究費は,主に構造推定,counterfactual分析を効率的に遂行するための設備備品費,学会報告・研究討議などを目的とした国内・外国旅費に使用する予定である。
モフォロジーによる時系列融雪地滑り線成分抽出法に関する研究

本研究は、(1)モフォロジーによる線成分の抽出法の確立、(2)時系列融雪地滑り地域との関連性評価の両面から構成される。(1)モフォロジーは、構成要素と呼ばれるフィルタ(オペレータ)の特徴を利用して、対象とする物体の形状検出によく用いられる手法である。モフォロジーは2値のモフォロジーと多値のモフォロジーに分類されるが、本研究で取り扱う人工衛星リモートセンシングデータは多値の情報であるため後者を用いた。従来より提案されているopening型およびclosing型境界の最小値で表現される境界検出式は、構成要素の拡大に伴い検出される境界成分も肥大し、また境界以外の成分を検出する欠点がある。これに対し本研究では、広領域・狭領域の両面から境界を検出する方法を提案し、河川境界の検出を例に解析を行った。この結果、従来の手法に対して構成要素の拡大に伴う境界成分の肥大と境界以外の成分検出の抑制に成功した。(1)融雪地滑りと相関の強いグリーンタフと呼ばれる帯上成分の検出を(1)に基づき行い、実際の現象との関連性を評価するために、融雪機構についての検討を行った。現段階では、近年の温暖な気候により積雪量が不十分であり融雪機構の詳細な把握まで至っていない。本研究の最終成果は、今後多時期のデータが整備されることにより広域な防災計画に寄与するものと考える。
光反応性レドック分子による遺伝子のマルチラベル化と超高感度電子計測

本研究は、化学センサーによる遺伝子の簡易かつ超高感度な電子計測を目的として、プローブDNAに多数の酸化還元活性分子を結合させることを試みるというものである。酸化還元物質としてはフェロセンを用いる。一方、遺伝子との結合にはDNA特異性の高いソラレンという光反応性化合物を利用する。このソラレン化フェロセンは単純な非対称2官能性試薬であるが、過去には全く類例が無かった。ジプロピレントリアミン型のスペーサを持つ分子と、テトラメチル型の4級アンモニウム塩をスペーサとする分子を合成した。後者はより親水性が高く、より高密度のDNAラベル化を期待した。まず、ゲル電気泳動法を用いて、この2つの分子がともに紫外光照射下でDNA二重らせんに結合することを確かめた。次いで、電極上に固定化したDNAに対し、これらのソラレン誘導化フェロセン分子を反応させ、その酸化還元反応活性を調べた。まずサイクリックボルタンメトリーを用いた検討から、フェロセンラベル化量を検討したところ約25pmol/cm2と求まり、高密度のDNAラベル化が達成されていることがわかった。フェロセンに由来するレドックス電流が掃引速度の1次に比例したことから、フェロセン分子が電極固定系として反応していることが確かめられた。これらの結果から、遺伝子の超高感度計測に適したDNAの電気化学的ラベル化法として、本研究で新たに合成したフェロセン・ソラレン複合体が有望であることを示した。今後はより定量的な検討と、実際の遺伝子計測に向けた条件設定を引き続き行わなければならない。本研究は、化学センサーによる遺伝子の簡易かつ超高感度な電子計測を目的として、プローブDNAに多数の酸化還元活性分子を結合させるというものである。この目的のため、DNA結合性分子と酸化還元活性分子からなる非対称2官能性試薬を設計した。酸化還元物質としてはフェロセンを選んだ。一方、遺伝子との結合にはDNA特異性の高いソラレンという光反応性化合物を利用することにした。出発物質としてトリメチルソラレンを用い、これをクロロメチル化後、ジアミンリンカーを反応させ、次いでこれをフェロセンカルボン酸の活性エステルと反応させることにより、ソラレン化フェロセンを得た。化合物の同定はNMRにより行った。この化合物を制限酵素で直鎖上にしたプラスミドDNAと混合し、水溶液中で紫外線照射することによりDNA・フエロセン複合体を合成した。DNA二重らせんが解離する条件でのゲル電気泳動において、この化合物を反応させたDNAは二重らせん状態を保ったまま泳動したことから、ソラレン部位がDNA二重鎖を光架橋したこと、その結果としてフェロセンがDNAに共有結合していること、が明らかとなった。次年度はこのソラレン化フェロセンで修飾したDNAを用いて、幾つかのガン遺伝子を対象に遺伝子検出を試みる。金電極上に固定化したプローブDNAを用意し、これとの間にサンドインチ型複合体を形成させ、電極上にこれを濃縮・固定化して高感度検出を達成する予定である。
球面連鎖を用いた手首関節機構搭載の多関節型アームロボットシステムの試作

球面4節連鎖であるフックス継手を変形し,3重に組み合わせた等速自在継手を応用して,独自な関節機構を開発してきた.これまでの試作機構は,外側にシェル状のフックス継手を設け,その中間部にプッシュ/プルロッドを2本取り付けて駆動する方式であった.そのため操作性に優れていたが,力の伝達経路が複雑で力学的解析が難しく,そのうえ,外部にロッドが露出して,衝突などの事故に弱いなどの欠点があった.そこで,本研究では,外部のシェル状フックス継手を取り去り,等速自在継手そのものの基部側のリンクへ直接プッシュ/プルロッドを取り付けて駆動するモデルを試作第3号機として提案し,実用設計を行なうための力学的解析手法と設計手法を確立するべく研究を進めてきた.同時に,産業用ロボットに搭載すべきモデルとして試作第2号機を製作して,実際に垂直多関節ロボットの先端に付加し,この付加関節とロボットの協調動作を実現するシステムの設計・製作を行った.その主な結果を以下にまとめる.制御装置の構成や制御ソフトウェアが公開されないロボットシステムとの協調動作を実現する方法として,ロボットの関節のエンコーダからのパルスを利用する方法を提案した.その際,任意パルス数のパルス列を任意比率で均等に分配する回路を提案し製作した.他方,試作第3号機の設計の過程では,静力学解析が不静定問題になるので,その解法として,機構内内力による機素の変形を考慮した方法を提案し,実際に対偶力などを算出した.また,アクチュェ-タを3つにして冗長駆動することによって,駆動力や対偶力を大幅に軽減できることを明らかにした.また,リンク形状の最適設計のために,構造解析用ソフトウェアと静力学解析プログラムを組み合わせた設計法を提案した.また,加工精度の合理的設定のために機構定数誤差に対する動作誤差を明らかにすることができた.球面4節連鎖であるフックス継手を変形し,3重に組み合わせた等速自在継手を応用して,独自な関節機構を開発してきた.これまでの試作機構は,外側にシェル状のフックス継手を設け,その中間部にプッシュ/プルロッドを2本取り付けて駆動する方式であった.そのため操作性に優れていたが,力の伝達経路が複雑で力学的解析が難しく,そのうえ,外部にロッドが露出して,衝突などの事故に弱いなどの欠点があった.そこで,本研究では,外部のシェル状フックス継手を取り去り,等速自在継手そのものの基部側のリンクへ直接プッシュ/プルロッドを取り付けて駆動するモデルを試作第3号機として提案し,実用設計を行なうための力学的解析手法と設計手法を確立するべく研究を進めてきた.同時に,産業用ロボットに搭載すべきモデルとして試作第2号機を製作して,実際に垂直多関節ロボットの先端に付加し,この付加関節とロボットの協調動作を実現するシステムの設計・製作を行った.その主な結果を以下にまとめる.制御装置の構成や制御ソフトウェアが公開されないロボットシステムとの協調動作を実現する方法として,ロボットの関節のエンコーダからのパルスを利用する方法を提案した.その際,任意パルス数のパルス列を任意比率で均等に分配する回路を提案し製作した.他方,試作第3号機の設計の過程では,静力学解析が不静定問題になるので,その解法として,機構内内力による機素の変形を考慮した方法を提案し,実際に対偶力などを算出した.また,アクチュェ-タを3つにして冗長駆動することによって,駆動力や対偶力を大幅に軽減できることを明らかにした.また,リンク形状の最適設計のために,構造解析用ソフトウェアと静力学解析プログラムを組み合わせた設計法を提案した.また,加工精度の合理的設定のために機構定数誤差に対する動作誤差を明らかにすることができた.フックス継手を変形した球面リンク機構を3重に組み合わせた等速自在継手を、シェル状のフックス継手の中に組み込んで、独特な関節機構を開発してきた。これまでの機構は、外側のシェル状フックス継手の中間部にプッシュ/プルロッドを二本取り付けて駆動する。そのため、操作性に優れていたが、外部にロッドが露出していて衝突などの事故に対する信頼性に問題があった。また、内部の等速自在継手は外部のシェル状フックス継手の姿勢を保つ働きをなすが、この構造は力学解析するには複雑すぎる。そこで本研究では基本構造を根本的に見直して、外部のシェル状フックス継手を取り去り、内部の等速自在継手の基部側のリンクに直接プッシュ/プルロッドを取り付けて駆動するモデルを試作第3号機として提案した。この構造では、関節機構を搭載するアームの内部にプッシュ/プルロッドを納めることができる。そのため外部への重要部品の突起がなく、また、3重連鎖の各連鎖へアクチュエータを計3つ取り付けることによって、アクチュエータの小型化ができパラレルリンク機構としての特長を活かすことができる。2自由度に対し3つのアクチュエータという冗長性のゆえに信頼性が大きく向上している。本年度は、この試作第3号機の設計と製作を行った。設計では、まず、アクチュエータでリンクを直接駆動するために生じる新たな動作限界を明らかにした。また、リンク間干渉の吟味から各リンクの最大肉厚を求めた。この試作第3号機の対偶部にはガタを取り除くためにボールベアリングを用いる。この最大径も同様にして求めた。最適構造設計のために、各対偶に働く対偶力やモーメントを市販の機構設計用CAEを用いて求め、その結果をもとに構造解析用CAEで形状を確認しながら設計を進めている。不確定要素の少なかったアクチュエータ部分はすでに加工・組立を完了した。

今後、CAEの結果の正しさを他の計算プログラムによって確認次第、関節機構本体の製作を行い、これと並行して制御システムの設計製作を行う計画である。フックス継手を変形した球面リンク機構を3重に組み合わせた等速自在継手機構を、シェル状のフックス継手の中に組み込んで独特な関節機構を開発してきた。これまでの試作機構は、外側にシェル状のフックス継手を設け、その中間部にプッシュ/プルロッドを2本取り付けて駆動する。そのため操作性に優れていたが、力の伝達経路が複雑で解析が難しく、そのうえ、外部にロッドが露出し衝突などの事故に弱い欠点があった。そこで本研究では、外部のシェル状フックス継手を取り去り、等速自在継手そのものの基部側リンクへ直接プッシュ/プルロッドを取り付けて駆動するモデルを試作第3号機として提案し、解析、設計を進めてきた。力学的解析には、前年度、市販の汎用機構解析ソフトウェアを用いたが、本機構の構造の特異性により、妥当な解析結果は得られなかった。この機構は球面連鎖の応用である。球面連鎖部の対偶軸は常に1点で交わっていなければならない。荷重による変形で対偶軸がずれ、交点を維持できなくなっても、多少のずれでは機構を動作させることは可能である。このことから機構が動きだす際は機構内内力が荷重による対偶軸のずれを相殺するように働き、対偶軸が一点に会すると考えられる。この考えを基に、今年度は独自に開発を進めてきた静力学解析プログラムを用いて解析を行った。また、駆動力の軽減問題にも取り組んだ。本機構は、関節の折り曲げ動作だけを考えると2自由度であるが、パラレル機構の特長を活かしてアクチュエータを3つ取り付けることを計画した。計算の結果、駆動ユニットが発生するべき最大駆動力は、3軸駆動の場合、3軸駆動の3分の1以下という結果が得られた。以上の計算プログラムによって本格的に強度設計ができるようになったので、今後は設計、製作を進め、第三号機を完成させる計画である。なお、試作第2号機を搭載したロボットシステムの制御部は、ロボットとの接続ユニットが完成しつつあり、今後は、制御プログラムの製作を行って、システムを完成させる計画である。球面4節連鎖であるフックス継手を変形して3重に組み合わせた等速自在継手を応用して、独自な関節機構を開発してきた。これまでの試作機構は、外側にシェル状のフックス継手を設け、その中間部にプッシュ/プルロッドを2本取り付けて駆動する方式であった。そのため操作性に優れていたが、力の伝達経路が複雑で力学的解析が難しく、そのうえ、外部にロッドが露出し衝突などの事故に弱いなどの欠点があった。そこで、本研究では、外部のシェル状フックス継手を取り去り、等速自在継手そのものの基部側のリンクへ直接プッシュ/プルロッドを取り付けて駆動するモデルを試作第3号機として提案し、実用設計を行なうために、力学的解析手法と設計手法確立するべく研究を進めてきた。平成6年度は、中間部のリンクの変形を考慮した静力学解析の手法を開発でき、対偶部の力と力のモーメントを計算できるようになった。そこで、本年度は、まず、最適設計のためのリンクの軽量化について検討した。その結果、以下のような手法で軽量化を進めることにした。