hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ロケットによる電力線路および保護装置への電撃試験

放電路の写真撮影は、遠隔操作を含めて静止カメラと流しカメラおよびビデオカメラにより多くの記録が得られたが、超高速撮影のための電子式イメージコンバータカメラにより、自然雷を含めて3回の記録が得られた。雷鳴による雷放電路の再現は、マイクロホンの設置状況の改善とコンピュータ解析の改良により精度の高い再現像を得た。雷雲下の地上電界の測定と共に、バルーンによる空間電界の測定を行い、雷雲下の空間に存在する電荷の分布状況を明らかにした。また、この空間電荷の発生原因となる地上の草の先からのコロナ放電の発生状況を確認した。来年度の計画である山頂の送電線へのロケットによる誘雷実験のための新形ロケットの開発を行い、2回の試射を実施すると共に、12月に、実験予定地である鶴来町の奥獅子吼高原の試験送電線の視察を行った。今年度は、世界ではじめての試みである実際の送電線へのロケットによる誘雷実験を目的として、石川県奥獅子吼高原の標高約千メートルの山中にて275KV送電線の一部付換え後の試験送電線に対し、11月15日から約1ケ月間の実験を行い、12月4日の予定通りの誘雷に成功した。今年度は、咋年迄と異なり、ナイロン系の先にスチールワイヤーをロケットで引上げて、スチールワイヤーの下端から送電線へ雷撃させる新しい方式を開発した。このため、ワイヤーとナイロン糸を巻上げたボビンをロケットで打上げる新しい方式の試作とし試射を夏期に実施し、冬期実験に備えた。ロケット発射台は4基を送電線鉄塔の横に設置し、数回の試射の後6回の打上げに対し2回の誘雷に成功した。このうち、12月4日、11時32分、正極性雷雲に対するロケット発射では、高度69メートルのワイヤーの下端から23メートル離れた鉄塔の山側上相アーム先端に雷撃が誘発されたのが、写真およびビデオフイルムにより確認された。このときの雷撃電流は、磁鋼片及びロゴスキーコイル記録計により、鉄塔4脚合せて20KA、架空地絡3本合せて30KAの合計50KAと推定され、電流継続時間は1.6ミリ秒に達する典型的な正極性放電であった。更に、12月7日、18時57分の2回目の誘雷は、送電線から離れた大地への放電となった。なお、雷撃時の地上電界変化、雷鳴記録、ループアンテナによる電流記録、高速度流し写真などの観測測定は、低温・降雪の悪条件下、誘導ショック、感度不足などの不測事態に対する対策の改良の必要が認められた。来年度は、これらの点を改良し、ロケット・ワイヤーも改善を加えて、誘雷成功率を高め、鉄塔・送電線への雷撃時の放電電流、鉄塔の電位上昇、放電径路などの観測を充実させ、送電線の耐雷設計、雷害防止のための基礎的知見を深める予定である。
前頭前野における情報量計算の神経機構

ヒトはより多くのことを知りたいという欲求、すなわちより多くの情報を求める欲求をもっている。本研究は、情報の量を計算する脳内神経機構に焦点を絞り、下記の解析を行った。まず、情報量の定義としてShannon情報量、正解確率増加分、認識確率変化量を取り上げ、これらのうちのどの定義がサルの前頭前野から記録した神経活動と整合性をもつかを調べた。その結果、Shannon情報量と正解確率増加分に対して整合する活動を示す細胞が存在することを示した。また、1次視覚野における単純細胞と複雑細胞の活動が示す各種の特性をShannon情報量最大化の原理に基づいて説明できることを数理モデルの解析によって示した。ヒトはより多くのことを知りたいという欲求、すなわち情報を求める欲求をもっている。この欲求は多くの高次思考過程を駆動する原動力の一つとなっている。したがって、この欲求を生じる脳内神経機構が解明できれば、それを突破口として高次思考過程の解明への新たな道を開くことができる。より多くの情報を求める欲求機構解明の第一歩として、本研究では、情報の多い少ない、すなわち情報の量を計算する脳内神経機構に焦点を絞り、その解明を目的とする。これまで心理学や情報理論の分野で情報量の研究が多くなされてきた。しかし、脳内の情報量計算の神経機構を具体的に明らかにした研究はまだない。本研究はニホンザルの前頭前野から単一神経細胞の活動を記録し、この神経機構を解明することを目的とする。特に、先行研究で呈示されている3つの情報量の定義(正解確率増加分、認識確率変化量、Shannon情報量)のうちのどれが脳内神経活動と整合性をもつかを検証する。サルの神経系がこれら3つの情報量定義のどれを用いているかによって神経活動に差異の生じるように、サルの行動課題を設計した。22年度はこの課題でのサルへの視覚刺激呈示装置を作成し、サルがその課題を遂行できるか調べる予備実験を行った。その結果、当初の計画で設計して課題はニホンザルには遂行できないことが分かり、遂行可能な課題を模索するために研究期間の延長が必要になった。約4ヶ月の延長の後、上記の3つの情報量定義を仮定した場合に神経活動が異なることが予測され、かつサルに遂行可能な行動課題を考案できた。このために本研究は、情報の多い少ない、すなわち情報の量を計算する脳内神経機構に焦点を絞り、その解明を目的とする。特に、3つの情報量の定義(正解確率増加分、認識確率変化量、Shannon情報量)のうちのどれが脳内神経活動と整合性をもつかを識別できるように行動課題を設計し、脳内での情報量の計算機構の解明を試みる。本実験は、情報を求めて行動中のサルの前頭前野から単一神経細胞活動を記録する。初年度にはサルに行わせる行動課題での視覚刺激呈示を行う計算機プログラムを作成してコンピュータに実装した。さらに、それを用いてサルの訓練を開始した。本年度には、サルを上記の行動課題で充分に訓練し、訓練したサルの脳から神経活動を記録した。サルの訓練の途中に、申請時に計画していたサルの行動課題はサルに行わせることが困難であることが判明した。そのために、行動課題を修正して新たな課題を考案しそれを実行するための計算機プログラムを作成した。神経活動の記録部位は前頭前野外側部である。これは、fMRIを用いた先行研究でこの領野に情報量に関連した神経活動があることが示唆されているからである。本年度は1匹目のサルの行動課題の訓練と神経細胞活動の記録の一部を行った。本研究は、情報の多い少ない、すなわち情報の量を計算する脳内神経機構に焦点を絞り、下記の解析を行った。まず、情報量の定義として(1)「正解を言い当てられる確率の増加分、Baronら(1985)」(2)「外界の認識を表す確率分布の変化量、Wellsら(1980)」(3)「不確実性の指標であるエントロピーの減少量、Shannon(1949)」を取り上げ、脳内で計算されている情報量が上記3つのいずれであるかを同定することを試みた。そのために、行動の結果得られる情報量が上記の3つの定義によって異なる行動課題を考案し、サルに訓練した。

その行動課題を遂行中のサルの前頭前野から神経活動を記録して、得られた活動が上記3つの情報量定義のどれと整合性をもつかを調べることを試みた。その結果、エントロピーの減少量と整合する活動を示す細胞が多数存在することを示した。また、1次視覚野における単純細胞と複雑細胞の活動が示す各種の特性をエントロピー最大化の原理に基づいて説明できることを数理モデルの解析によって示した。すなわち、単純細胞と同様の特性をもつ細胞からなる第1層に第2層を付加した神経回路モデルを構成し、層間の結合強度を入出力間のエントロピー最大化によって学習させた。その結果、学習成立後の神経回路モデルにおいて第2層のモデル細胞がもつ各種の特性が、脳内で記録された複雑細胞のもつ特性を再現していることを示した。このことは、脳内の1次視覚野においてエントロピー最大化の原理の下に神経回路が構成されている可能性を示唆する。申請時の計画と比べて、多少の遅れを生じていると考える。それは申請時に計画していたサルの行動課題がサルにとって実行することが困難であったために、行動課題を修正して新たな行動課題を考案する必要があったためである。25年度が最終年度であるため、記入しない。新たに考案したサルの行動課題を用いてサルを訓練し、当初計画していた、情報量計算に関与する神経活動の記録を実行する。
非線形空力特性を持つデルタ翼のロール自励振動現象の解明とその物理モデルの構築

後退角の小さいデルタ翼に生じるロール自励振動の機構解明と特性解析を行い,振動を抑制する空力デバイスの提案および開発を行うことを目標とし研究を行った.本年度は,前年度までに行われた失速迎角でのロール運動時の非定常ロール特性の解析結果を元に,流れ場が翼の運動に与える影響をより直接的に測定するため,翼面上に非定常圧力センサを設置し,翼固定時の定常圧力および運動時の非定常圧力測定を行った.この結果を流れ場の可視化結果と比較することによって,翼表面での前縁剥離渦および大剥離が示すきわめて非対称な流れ場と,翼に加わる圧力・ローリングモーメントの関係を明らかにすることができた.また運動時の流れ場が持つ時間遅れ特性に関して,翼面上の前縁剥離渦の崩壊遅れや流れ場の遷移の時間変動が運動に与える影響を解析した.これらに関してはそれぞれ日本航空宇宙学会論文集に投稿・掲載された(掲載:"45°デルタ翼の失速域におけるウイングロックの振動機構,"日本航空宇宙学会論文集,Vol 52,No.601,2004,pp.80-86,投稿中:"45°デルタ翼における流れ場の不連続変化の可視化解析,"日本航空宇宙学会論文集).また非定常特性に関しては,2004年4月の日本航空宇宙学会第35期年会講演会において発表のうえ学術雑誌に投稿する準備を行っている.また,現在前年度までに行った微小フラップによるロール角制御実験の結果をまとめ,自励振動を抑制する制御デバイスの提案として学術雑誌に投稿準備を行っている.後退角の小さいデルタ翼に生じるロール自励振動の機構解明と特性解析を行い,振動を抑制する空力デバイスの提案および開発を行うことを目標とし研究を行った.本年度は,動的ローリングモーメントの時間遅れ特性(前年度の動的な空気力特性取得風洞試験により取得)をもとに,ロール振動を励起する非定常ローリングモーメントのモデリングを行った.同時に構築された数理モデルを用いてロール運動の数値シミュレーションを行い,モデリングの妥当性を検証した.この結果,運動時のローリングモーメントは単純な線形時間遅れでは表現することができず,運動の軌跡に大きく影響される,つまり強い履歴効果を持つことが明らかになった.この履歴効果の影響を考慮し,数理モデルに運動履歴を考慮した項を追加することによってロール自励振動の複雑な挙動を再現することができた.同時に,翼が運動するときの流れ場の可視化実験を行い,翼面上の前縁剥離渦の崩壊遅れなどの非定常性が上記の非定常ローリングモーメントに与える影響を調べた.この結果,前年度行われた静的な可視化実験の結果から予測されたように,左右の翼半面で渦崩壊や剥離の非定常性が流れ場に観察された.前述の数理モデルの特性と比較することによって,この非定常性はそれぞれ翼の運動エネルギを増加あるいは減少させることが明らかになった.これらの知見については2003年1月に米国航空宇宙学会年会において発表を行った.また,振動抑制のために考案された前縁に設置する微小フラップに関して,フラップが発生するローリングモーメント特性ならびに空気力特性を解析した.この微小フラップの特性については2003年9月に第23回国際航空科学会議において発表を行った.現在流れ場が翼の運動に与える影響をより直接的に測定するため,翼面上に非定常圧力センサを設置し,運動時の非定常圧力測定を行っている.後退角の小さいデルタ翼に生じるロール自励振動の機構解明と特性解析を行い,振動を抑制する空力デバイスの提案および開発を行うことを目標とし研究を行った.本年度は,前年度までに行われた失速迎角でのロール運動時の非定常ロール特性の解析結果を元に,流れ場が翼の運動に与える影響をより直接的に測定するため,翼面上に非定常圧力センサを設置し,翼固定時の定常圧力および運動時の非定常圧力測定を行った.この結果を流れ場の可視化結果と比較することによって,翼表面での前縁剥離渦および大剥離が示すきわめて非対称な流れ場と,翼に加わる圧力・ローリングモーメントの関係を明らかにすることができた.また運動時の流れ場が持つ時間遅れ特性に関して,翼面上の前縁剥離渦の崩壊遅れや流れ場の遷移の時間変動が運動に与える影響を解析した.これらに関してはそれぞれ日本航空宇宙学会論文集に投稿・掲載された(掲載:"45°デルタ翼の失速域におけるウイングロックの振動機構,"日本航空宇宙学会論文集,Vol 52,No.601,2004,pp.80-86,投稿中:"45°デルタ翼における流れ場の不連続変化の可視化解析,"日本航空宇宙学会論文集).また非定常特性に関しては,2004年4月の日本航空宇宙学会第35期年会講演会において発表のうえ学術雑誌に投稿する準備を行っている.また,現在前年度までに行った微小フラップによるロール角制御実験の結果をまとめ,自励振動を抑制する制御デバイスの提案として学術雑誌に投稿準備を行っている.
大学における初習理科の授業モデルと評価モデルの開発

日本の研究大学の学土課程における基礎的な自然科学分野の教育について、米国や英国の大学と直接比較を行い、その教育水準について研究した。同時に、入学者の学習歴や学力の多様化に対応した基礎教育の実現を目指して、モデル授業を行った。研究の成果は以下の4点に要約される。第1に、カリキュラムの開発と教育の組織化について総括的な研究を行った。カリフオルニア大学バークレー校の入門化学の授業に刺激を受けて、カリキュラムの再構築と授業開発の意義を明らかにした。また、アメリカおよびイギリスにおける関連の授業に参加して調査を行った。第2に、北海道大学の理学部が全学教育向けに開講している物理学および生物学の授業改善のプロジェクトに参加し、パイロット授業を行いその内容を分析した。これらはバークレーの授業をモデルとしているが、我が国の高等教育の特性に応じたさまざまな工夫がこらされており、本研究の最大の成果の一つである。第3に、ティーチングアシスタント(TA)の制度と研修にかかわる研究成果とまとめた。北海道大学におけるTA研修を強化するとともに、TA制度についての調査および研修法を研究した。この成果は、「TA実践ガイドブック」(玉川大学出版)として既に刊行され、多くの大学で利用されている。第4に、理系の基礎的な教育における成績評価および教育業績評価のモデルについて検討した。本研究では学生による授業評価に重点を置いて分析した。結論として、わが国の大学の初習理科の教育技術の水準は、米国の1970年代の後半の段階に留まっている。日本の研究大学の初年次教育においても、"Sciences for all"という理念に沿った自然科学の授業を開発するべきである。その実現のために、1)教育のストラテジーを再検討すること、2)現代の学生に即した新しい授業スタイルを作ること、3)TA制度を本格的に運用しその研修を行うこと必要がある。大学の理系基礎科目は、中学・高校における理科離れや学力低下の問題に直面して、いま構造的な改革を迫られている。大学の物理学、化学、生物学について、初習のレベルから専門のレベルまで数段階に階層化して、学生の履修目的と習熟度に合わせて開講する教育システムの構築に向けて、以下の4項目に重点を置いて、実践的な研究を行った。1)パイロット授業の開講2004年度から初習理科のパイロット授業として、「基礎物理学」、「基礎化学」、「基礎生物学」の3つの授業を開講した。それぞれの授業に23名の教員と数名のティーチングアシスタントを配置し、通常の講義のほかにデモ実験およびグループ討論を組み合わせた新しい授業の形式を採用した。2)教科書の編集「基礎物理学」のパイロット授業のために、高校において物理学を履修してこなかった学生でも理解が可能な教科書「大学の物理入門」を編集刊行した。3)eラーニングのコンテンツの開発新しい形式の授業を全体として有効に機能させるために、分担者の細川が開発した授業支援型のeラーニングを「基礎物理学」に導入し、授業の進行に合わせてそのコンテンツを制作した。また、クイズ、レポート、質問などを情報機器を通じて受講者全員が共有できる環境をつくった。4)海外の動向の調査初習理科の化学分野で、世界でもっとも進んでいると言われているカリフォルニア大学バークレー校に、基礎物理の担当者および社会学を専門とする研究分担者を派遣して調査を行った。また、デモンストレーション実験の原形である「ポピュラーサイエンス」に歴史と伝統を持つスコットランドおよびアイルランドの大学を訪問し、新しい教育法について情報を収集し、専門家と意見交換を行った。以上のように初年度の研究は順調に進んでいる。教育評価モデルについては、平成17年度の初頭に集中して研究を行う予定である。

大学における新しい初習理科の授業モデルを確立するために,昨年度に引き続いて水産学部の1年次を対象としたパイロット授業に取り組んだ。このプロジェクトには,スタッフとして教員4名,実験補助のための技官1名および撮影技術者1名の合計6人,それにティーチングアシスタント4名が参加した。本年度は以下のような改良が行われた。1、クラスサイズを昨年度の半分の120名とし,毎回の持ち時間90分を分割して,最初の60分間を講義に,残りの30分間を演習にあてた。2、講義では毎回演示実験をおこない,大教室のスクリーンに投影して受講生がその詳細を同時に観察できるようにした。3、eラーニングシステムHuWebを採用した。来年度のオンライン授業を想定して,全講義の録画を行った。4、授業にクイズ形式を導入し,4択などの問題の回答を受講生がその場でカードで表示するようにした。日本の学生は、演示実験にあまり興味を示さない,講義ノートをウエッブ上に公開すると講義に集中しなくなる,など同じような授業環境のもとでアメリカの学生とは異なる反応を示した。その背景には,授業に対する考え方の違いや、初等・中等教育で形成された態度・習慣の違いがあるので,新しい授業法の採用にはさまざまな配慮が必要であることがわかった。授業中のクイズと,講義の後に引き続いて行われる演習はきわめて効果的であった。例題の演習を中心とするスタイルの授業は学生の集中力の維持に効果があった。これらを含めて授業における双方向性の確保が重要な課題であり、ウエッブ利用の学習の正否もこの点にかかっている。技術的な課題は,クイズのデジタル化である。クイズへの回答を瞬時に処理し表示する「クリッカー技術」の導入であろう。この手法は,アメリカで開発され急速に普及しつつあるが,成績評価にも連動する汎用性の高い技術であり,次年度に早急に整備する必要があろう。学士課程における理系の基礎科目について,全体を標準化した上で,初習から専門まで数段階に分割し,コース分けして学生に提供するというグランドデザインのもとに,3年間にわたりこのテーマに取り組んできた。最終年度にあたる当該年度は,昨年度から引き続いて1)授業モデルの開発,2)TA研修の開発,3)海外の動向調査を進め,それぞれについて以下のような成果をあげた。1.授業モデルの開発:初習理科の教育では比較的クラスサイズが大きくなることは避けられないが,優秀な教員と複数のティーチング・アシスタント(TA)および技術補助員を配置し,最新のeラーニングのテクノロジーを駆使すれば,水準の高い効果的な授業ができることを明らかにした。本研究で開発された授業モデルは,すでに北海道大学の全学教育で採用されている。2.TAの研修:大学院の学生が大規模な講義の支援に参加した際に起こり得るさまざまなケースについて,聞き取り調査を含めたデータの集積を行った。その成果をTAの研修マニュアルとして完成させ,単行本として刊行した。
電気毛管力により駆動される表面張力流を利用した界面挙動の制御

本研究は,電気毛管効果によって生じる表面張力流の特性について明らかにし,界面挙動の制御に応用することを目的とするものである.(1)シリコーンオイル中に炭酸ナトリウム水溶液の液滴を形成し,静電場を変化させることによって起こる液滴の形状変化から界面張力と静電場の関係を調査した.(2)シリコーンオイルと純水の油水界面を形成し,静電場を変化させることによって生じる電気毛管力が駆動する流動場の計測を行った.(3)気体中に形成されたシリコーンオイル液滴に温度差表面張力流を誘起したあと,液滴に電圧を印加することによって表面張力流が抑制され流速が遅くなる現象を観察した.流体の表面張力あるいは界面張力の大きさは温度・濃度・電位などに依存することが知られており,これらの不均一分布によって生じる流れに関する研究が多く行われている.本研究では,電気毛管現象により液体の表面張力を変化させ,それによって生じる流れについて実験を行った.平成28年度の研究では以下のような知見が得られた.(1)シリコーンオイルと炭酸ナトリウム水溶液の油水液膜の界面を挟んで電極を配置し,そこに電圧を印加することで対流が生じることを確認した.この対流について可視化用のトレーサ粒子を高速度カメラで撮影し,PIV解析を行うことで速度分布の計測を行った.本実験では矩形と円形の電極を用いて実験を行ったが,円形の電極を用いた実験では定常的な非軸対称流が生じ,温度や濃度勾配によって駆動される流れとは異なる性質を有していることが確認された.(2)印加電圧の影響を把握するため,ADSA(Axisymmetric Drop Shape Analysis)法を用いて界面張力の大きさを計測した.その結果,印加電圧の増大に伴い界面張力が大きくなることが確認された.(3)円形のディスクを用いて形成された懸下液滴において,温度差表面張力流が電圧印加によって抑制されることを確認した.作動流体には高粘性のシリコーンオイルを使用し,気液界面に温度勾配を与えることで温度差表面張力流を誘起したあと,気液界面の電荷分布が不均一になるように電圧(最大1kV)を印加したところ,流れが急激に遅くなる現象を観察した.また,電圧の印加を停止すると再び流速が増加し,電圧印加による表面張力流の制御の効果を確認することができた.以上の研究成果から,電圧印加によって表面張力を変化させ流れを制御できる可能性が示唆された.しかしながら,電場と表面張力の関係には未解決な問題も多いため,引き続き研究を進める必要がある.平成28年度の研究目標は(1)印加電圧が界面張力の大きさに与える影響の調査,(2)実験装置の構築,(3)速度場の可視化計測,(4)電気毛管力駆動の表面張力流の定式化,であり以下のような成果から,研究はおおむね順調に進展したと言える.(1)について,炭酸ナトリウム水溶液中に形成したシリコーンオイル液滴をカメラで撮影し,その形状と理論式から得られる液滴形状を比較することで界面張力を計測した(ADSA法).その結果,印加電圧を0Vから400Vまで変化させたときに界面張力が約15%(1mN/m)上昇することが確認された.(2)シリコーンオイルと炭酸ナトリウム水溶液の油水液膜での実験およびシリコーンオイル液滴の実験を行うための装置を構築した.油水液膜での実験においては矩形と円形の電極を用いて実験を行った.また,シリコーンオイル液滴での実験では温度差駆動の表面張力流との相互作用に関する調査を行うために,温度制御の機能を付加した実験装置を構築した.(3)シリコーンオイルと炭酸ナトリウム水溶液の油水液膜内に生じた電気毛管力駆動の界面張力流の速度分布をPIVで計測した.シリコーンオイルは絶縁性が高いため,導電性付与剤を添加することで電気毛管効果が強くなり,流速が大きくなることが確認された.また,印加電圧を大きくすることで流速が大きくなることも確認された.円形電極を用いた実験では,軸対称の流れの発生を予想していたが,生じた流れは予想に反して複数の渦構造を有する非軸対称なものであり,このような流れが生じた原因については今後も調査を継続する.(4)電気毛管現象により生じる流れの数値解析を行うため現象の定式化に取り組んだが,この目標については未達成である.単純な形状については電場分布の計算が可能となり,この課題には今後も取り組んでいく.液滴および液柱内の表面張力流について研究を行い,以下のような知見が得られた.(1)懸垂液滴内に生じる対流場に関する実験を行った.ヒーターによって加熱された直径5 mmのアルミニウム棒の先端に絶縁性のシリコーンオイルの懸垂液滴を形成し,その下に冷却板を配置することで温度差駆動の表面張力流を誘起したあと,上部のアルミニウム棒と下部の冷却板の間に直流電圧を印加した際に起こる対流場の変化を観察した.本研究では,電極間の温度差,印加電圧,電場の向きを変えた実験を行った.上部をアノード,下部をカソードとしたとき,電極間の温度差が小さい場合(5 K以下)には,200 V以上の電圧を印加することで温度差表面張力流が抑制され,液滴内部の対流場が停止あるいは弱体化することが確認された.

電極間の温度差が大きい場合(10 K以上)には,対流構造の変化は確認されたが停止するまでには至らなかった.また,電場の向きを変えることで対流抑止の効果が弱まることも確認された.(2)液柱内の温度差表面張力流とEHD(Electro-Hydro-Dynamics)対流の数値解析を行った.本研究では,過去に小型観測ロケットを用いた微小重力実験のデータを参考に作動流体の物性値や境界条件を設定し,温度差によって生じる表面張力流と直流電圧印加によって生じるEHD対流が共存した場合の数値解析を行った.温度差駆動表面張力流は,EHD対流の影響を強く受け,流動構造が大きく変化することがわかった.また,液柱内に存在するイオンの種類(陽イオンと陰イオン)によっても流動構造が大きく変化する様子が確認された.(3)高プラントル数のシリコーンオイル液柱に関して,温度勾配に起因する表面張力差のみによって駆動される流れに対する界面熱移動や動的な界面変形の影響を調査した.本研究は,電気毛管効果によって生じる表面張力流の特性について明らかにし,界面挙動の制御に応用することを目的とするものである.(1)シリコーンオイル中に炭酸ナトリウム水溶液の液滴を形成し,静電場を変化させることによって起こる液滴の形状変化から界面張力と静電場の関係を調査した.(2)シリコーンオイルと純水の油水界面を形成し,静電場を変化させることによって生じる電気毛管力が駆動する流動場の計測を行った.(3)気体中に形成されたシリコーンオイル液滴に温度差表面張力流を誘起したあと,液滴に電圧を印加することによって表面張力流が抑制され流速が遅くなる現象を観察した.平成29年度の研究では,(1)電気毛管力により駆動される表面張力流の数値解析と(2)界面挙動の制御に重点を置いて研究に取り組む.(1)数値解析については平成28年度の目標であったが,現象を完全に定式化するに至っておらず引き続き取り組みを行う.解析には汎用の数値流体解析ソフトを使用する計画であり,その準備を既に進めている.(2)電気毛効果により温度差駆動表面張力流が抑制される現象は,シリコーンオイルの懸下液滴を用いた実験により確認することができた.しかし,現象を完全に解明するには至っていないため,実験装置をより精緻化し,パラメータを様々に変化させながら実験を行う.また,速度場のみならず温度場の計測も行い,現象の把握に努める.それらのデータを参考に,温度差駆動表面張力流および界面挙動を制御するための実験を行う計画である.また,温度差駆動表面張力流との関係性を知るために,温度差のみによって駆動される表面張力流についても研究を行う.本研究で最も重要な点は対流が電気毛管効果により駆動されていることを証明することである.実験を行う際,液体内の温度分布が不均一であると重力に起因する浮力・表面張力の温度依存性によって流れが生じてしまう.このような流れと電気毛管効果によって生じる流れを区別するために,温度差駆動表面張力流と電気毛管力駆動表面張力流の関係に注目しながら研究を行っていく.電気毛管力により界面挙動を制御することで,表面張力が支配的となるマイクロスケール流れの研究などに大いに貢献することが期待される.流体工学,熱工学
ミトコンドリア依存性アポトーシスにおけるStAMP遺伝子の発現と制御機構の解明

【目的】OSAPは,胎盤を除くステロイド産生組織(副腎皮質・卵巣・精巣)に発現を認める酸性ミトコンドリア蛋白である.昨年,0SAP発現抑制によりステロイド産生の低下やミトコンドリアの形態変化を示し, OSAPがミトコンドリアのステロイド産生環境の維持に関与している可能性を報告した.今回は,OSAP発現抑制がミトコンドリア恒常性維持機能に与える影響を検討した.【方法】マウス副腎皮質腫瘍由来のY1細胞株を用いて,OSAP-siRNAの導入によりOSAPの発現抑制を行い,ミトコンドリア内膜電位(AΦm)の変化を、感受性蛍光プローブJC-1を用いたflow cytometryによりnegative control導入群および未導入群と比較した.また, OSAPの発現抑制によるcell viabilityをMTS assayにより解析した.発現抑制後のミトコンドリアの量的変化について,核DNAに対するミトコンドリアDNA(mtDNA)のコピー数の相対比で検討した.さらに, OSAP-siRNAを導入したY1細胞をミトコンドリア分画と細胞質分画に分離し,各分画におけるcytochrome Cの蛋白発現をwestern blotにより検討した.【成績】flow cytometryにおいて, OSAP発現抑制によりJC-1赤蛍光を呈する細胞の割合が緑蛍光へ約10%シフトし,Δφmの減少傾向が示された.0SAPの発現抑制によりcell viabilityに有意な変化を認めなかったが, mtDNAの減少と細胞質分画においてcytochrome Cの漏出が認められた.【結論】OSAPは,ミトコンドリア外膜のintegrity保持や内膜電位の維持を介して,ミトコンドリア恒常性維持機能に寄与している可能性が示唆された.Steroidgenic acidicmitochondorial protein(StAMP)はマウス卵巣特異的遺伝子発見プロジェクトで同定された酸性のミトコンドリア蛋白であり、副腎や卵巣、精巣に発現を認め、ステロイド合成過程に関与している可能性がある。本研究では、ステロイド産生細胞であるマウス副腎皮質腫瘍由来のY1細胞株を用いて、StAMPの発現抑制がステロイド合成やミトコンドリアの機能や形態に与える影響について検討した。StAMPのsiRNAを導入して、StAMPのmRNAと蛋白レベルでの発現量の変化を、それぞれrealtime RT-PCRとウェスタンブロットで確認した。その結果、ともに著しい発現抑制が認められた。同様にStAMPの発現を抑制し、培養液中のプロゲステロン濃度の変化をRIAで測定したところ、cAMPの刺激下ではStAMPの発現抑制によって有意にプロゲステロン濃度が減少した。ミトコンドリアは様々な形をとり、分裂と融合を繰り返して形態を維持する。そこでミトコンドリアの形態変化に着目し、蛍光顕微鏡下でMito Tracker Redで染色し、StAMPのsiRNA導入後の変化を観察した。その結果、StAMP発現抑制群ではミトコンドリアが核周囲に凝集し、分裂・断片化する所見が認められた。本研究により、StAMPの発現抑制がcAMPの刺激下でのプロゲステロン産生量の減少と、ミトコンドリアの凝集や断片化などの構造変化を導くことが示された。近年、ミトコンドリアの形態とアポトーシスとの関連が見出されているが、本研究によりStAMPはミトコンドリアの機能や形態維持を介して、ステロイド産生に関与している可能性が示唆された。【目的】OSAPは,胎盤を除くステロイド産生組織(副腎皮質・卵巣・精巣)に発現を認める酸性ミトコンドリア蛋白である.昨年,0SAP発現抑制によりステロイド産生の低下やミトコンドリアの形態変化を示し, OSAPがミトコンドリアのステロイド産生環境の維持に関与している可能性を報告した.今回は,OSAP発現抑制がミトコンドリア恒常性維持機能に与える影響を検討した.【方法】マウス副腎皮質腫瘍由来のY1細胞株を用いて,OSAP-siRNAの導入によりOSAPの発現抑制を行い,ミトコンドリア内膜電位(AΦm)の変化を、感受性蛍光プローブJC-1を用いたflow cytometryによりnegative control導入群および未導入群と比較した.また, OSAPの発現抑制によるcell viabilityをMTS assayにより解析した.発現抑制後のミトコンドリアの量的変化について,核DNAに対するミトコンドリアDNA(mtDNA)のコピー数の相対比で検討した.さらに, OSAP-siRNAを導入したY1細胞をミトコンドリア分画と細胞質分画に分離し,各分画におけるcytochrome Cの蛋白発現をwestern blotにより検討した.【成績】flow cytometryにおいて, OSAP発現抑制によりJC-1赤蛍光を呈する細胞の割合が緑蛍光へ約10%シフトし,Δφmの減少傾向が示された.0SAPの発現抑制によりcell viabilityに有意な変化を認めなかったが, mtDNAの減少と細胞質分画においてcytochrome Cの漏出が認められた.【結論】OSAPは,ミトコンドリア外膜のintegrity保持や内膜電位の維持を介して,ミトコンドリア恒常性維持機能に寄与している可能性が示唆された.
自己組織性を有する導電性高分子の構築とその特性化に関する研究

本研究は高機能性高分子材料の開発のために導電性ポリマーとして主鎖にチオフェン環およびベンゼン環を含むアリーレンエチニレンタイプのポリマー(PAE)を合成した。ここで、チオフェン環の側鎖末端にはいずれもメソゲン基を導入し、ベンゼン環の側鎖については無置換のもの、アルキル鎖のみを導入したもの、側鎖末端にメソゲン基を導入したものを合成した。さらに主鎖のアリール基がチオフェン環のみで構成されたチエニレンエチニレンタイプのポリマーも合成した。得られたポリマーについては、DSC測定、偏光顕微鏡観察、X線回折測定を行い、液晶性を検討した。チオフェン環の3-位に極性メソゲン基を有する側鎖型液晶高分子は溶融・溶解性に優れて、しかも配向処理を行ったポリマーは導電率が2桁ほど増加した。さらに、光応答部位をメソゲン基に組み込んだポリチオフェンは異性化に伴って導電率が変化することが確認され、導電性液晶フォトニックス材料への道が開けた。主鎖のベンゼン環の側鎖末端にメソゲン基を導入したPAEのポリマーは他のポリマーに比べ液晶相発現温度範囲が向上し、主鎖にベンゼン環を導入することでチェニレンエチニレンタイプのポリマーより液晶相発現温度範囲が向上した。メソゲン基としてメトキシビフェニルを用いたチエニレンエチニレンタイプのポリマーはスメクチック相を発現し、シアノビフェニルとメトキシビフェニルを交互に導入することでさらに凝集構造がよくなった。UV測定では400nm以上に主鎖のπ-π^*の遷移に由来するピークが観察され、π-π^*共役が発達していることが確認できた。また、いずれのポリマーもUV光を照射することで蛍光を発した。
植物ホルモン活性化/不活性化機構の分子基盤-ブラシノステロイド生合成/代謝酵素による制御-

ブラシノステロイド(BR)生合成・代謝経路には多数のチトクロムP450酵素が関与している。本研究では、BR活性化/不活性化に関与するP450酵素を単離同定し、その発現制御機構を解析することによりBR分子の作用部位における経時的消長を遺伝子、酵素レベルで解析しBRの生理機能の分子基盤を解明することを目的とする。A.cDNAクローニング:相同性検索によりBR生合成・代謝に関与する可能性の高いと推定された候補P450遺伝子をシロイヌナズナおよびトマトからクローニングした。シロイヌナズナから14クローン、トマトから8クローンの全長cDNAを単離した。B.BR応答性の検討:シロイヌナズナおよびトマトを用いて、BR処理、BR生合成阻害剤処理による各遺伝子の転写変動を検討した。BR添加によりCYP90、CYP708ファミリーに属する各遺伝子は発現が抑制され、逆に阻害剤により発現が増加したことから、これらの遺伝子はBR生合成に関与していることが示唆された。またトマトCYP72B2はBR処理により発現が増加しBR代謝に関わっている可能性が示唆された。C.組み替え酵素の発現:候補P450の組み替え酵素を発現させるための予備検討を大腸菌を用いて行った結果、一部の分子種は大量に発現するものの発現しない分子種も多く、またN末領域のアミノ酸配列を改変する必要があるため発現ベクターの構築にも多大な労力を要することが予想された。そこで、より安定して多量のP450を発現することが可能で、かつ全長cDNAをそのまま組み込むことができるバキュロウイルスー昆虫細胞発現系を用いて上記候補P450の発現を行うこととした。pFastBacl発現ベクターに各P450の全長cDNAを組み込み昆虫細胞を用いて発現させた結果、全てのP450について発現タンパク質由来のバンドをSDS-PAGE上で確認することができた。そこで培地にヘムの前駆物質を加えて昆虫細胞を培養しウイルス感染を行ったところ、ほとんどのP450について活性型酵素を検出した。
ＯＦＤＭ協力中継通信を用いたマルチホップネットワークシステムの研究開発

提案したOFDM協調通信方式では、複数端末からの同一OFDM信号がガードインターバル内で受信した場合には、正常に復調ができるOFDMの特徴を活用することにより、高い性能を実現可能である。本研究では、提案するOFDM協調通信方式を利用するマルチホップ通信方式の提案を行ってきた。結果では、複数の異なる送信端末からの同一OFDM信号を同時に受信することにより、ルートダイバシチ効果によるパケット配信率の改善が可能であった。また、数値例では、既存技術であるCSMA/CAと比較して、高いパケット配信率と低遅延配送を両立可能であることを明らかにした。本研究ではOFDM協調通信方式の研究を推進しており、本年度は特に以下の観点から研究を実施した。・自律分散アクセス制御によるフラッディング機構の研究ネットワーク全体に情報を行き渡らせるフラッディングは経路制御プロトコルなどで頻繁に利用されているメカニズムであり、マルチホップ通信技術の基盤的な原理である。しかしながら、既存メカニズムでは、多数の端末が順次パケット転送処理を繰り返す事から、トラヒックの増加に伴い無線資源が浪費される問題がある。提案OFDM協調通信方式では、同一のODFMシンボルは同時に転送することができるため、従来では端末数だけ必要とされる転送時間を大幅に削減することが可能となる。結果として、トラヒック増加時にも高い配信率を低遅延で実現可能となる。さらに、本方式では各端末がパケットを識別する情報を用いて自律的にランダム遅延を選択することにより、端末間の通信を必要とせずに、同一パケットは同一タイミングで重畳送信することが可能となる。本研究成果は既に研究会で発表しており表彰されている。また、国際会議発表も既に終えており、論文誌への投稿を準備中である。・路車間通信用の協調通信方式の研究路車間通信で想定される環境は車両が高速移動することからチャネル状況が大きく変動する上、基地局と車両間の距離も時々刻々と変化するため、特に基地局と基地局の中間地点で通信特性が大幅に劣化することが知られている。本研究では、路車間通信のOFDM協調通信を適用した場合の特性改善効果を明らかにした。具体的には、基地局と車両の地位関係により大きく異なる通信特性をシミュレーションにより明らかにした上で、移動車両からのインターネット接続を想定した環境において、通信スループットを大幅に改善可能である事を明らかにした。本研究成果は研究会及び国際会議で発表を終えており、論文誌への投稿を準備中である。本研究開発では、無線変調方式の一つであるOFDMの特徴を活用する、新たな協調通信方式について研究を推進してきた。1年目・2年目では、OFDM協調通信方式の基礎的な性能評価を実施し、提案方式を用いることにより伝送誤り率を改善可能であることを明らかにした。また、マルチホップネットワークにおいてブロードキャストを行う際にも、提案方式を用いることにより、高信頼かつ低遅延の通信を実現可能であることを明らかにした。最終年度では、OFDM協調通信を用いたパケット通信を実現することを目的とし、IEEE 802.11aを想定したフレーム構造を用いて提案方式の有効性の評価を実施した。結果より、IEEE 802.11aの信号検出、タイミング推定、周波数オフセット推定などの機構も十分に動作することを確認し、伝送誤り率の改善も可能であることを明らかにした。また、多数の同一パケットが送信されるマルチホップマルチキャストにおいて提案方式を用いた場合の特性を、一般的なマルチホップネットワークとITS用の車車間通信ネットワークにおいて研究を実施した。結果より、高いパケット配信率と低遅延を両立可能であることを明らかにした。本研究の大きな成果は、既存の無線LANで利用されているフレーム構造を利用した場合にも、アクセス制御手法を若干修正するだけで、新たな協調通信を実現可能であることを明らかにしたことである。このような修正はRF回路の変更が必要ないことから、ソフトウェアによる修正のみで実装を完了可能であり、産業上の価値も大きいと考える。さらに、提案方式では、同一OFDMシンボルを同時に送信を行うことから、無線資源の有効利用とパケット配送率の改善を実現可能であることも、限られた無線資源を有効に利用するために重要と考える。本年度はOFDM協力中継通信システムのネットワークシミュレータへの実装をはじめる前に、提案方式の物理的な通信特性についてMatlabを用いて検証を実施した。本検証では、Matlab上でOFDMの送受信機モデルを構築することにより、無線信号を模擬したOFDM信号波形を実際に計算し、受信機で実際に受信するOFDM信号波形に基づいた変復調処理を実現した。本検証結果は、実質上OFDM送受信機を制作したのと同等の評価をおこなっており、提案方式は特に多数のマルチパスが存在するレイリーフェージング環境などで大きな特性改善効果があり、複数の端末が協力中継して同一OFDM信号を送信し、受信機がガードインターバル内の到来時間差でこれらのOFDM信号を受信できた場合、最大比合成とほぼ同等の受信性能の改善が見込まれることを確認できた。

また、提案方式のネットワークレベルの特性を明らかにする上で、ネットワークシミュレータであるQualNetの開発に深く関与しているカリフォルニア大学ロサンゼルス校に出張することにより、QualNetを利用した車々間ネットワークの検証方法などの具体的な事例について学び、提案方式のQualNet上への基礎実装をすでに完了させた。これらの評価は、情報処理学会のMBL研究会で5月に報告予定であり、その後国際会議、論文誌などでの公開を予定している。本研究課題では、OFDM協調通信を採用した場合の通信特性の研究、OFDM協調通信を採用した場合のブロードキャスト方式の研究、OFDM協調通信を採用した場合のマルチキャスト方式の研究、OFDM協調通信を採用した場合のユニキャスト方式の研究に大別して研究を進めている。既に通信特性の研究とブロードキャスト方式の研究は終えており、マルチキャスト方式の研究は現在推進中である。また、ユニキャスト方式の研究は線形上にノードが配置される路車間通信及び車車間通信についての検討を終えており、現在2次元にノードが配置される場合についての検討を開始したところである。そのため、概ね予定通りに研究は進んでいると考えている。・OFDM協力中継通信方式の基礎的な特性解析本検討では、数値演算ソフトウェアであるMatlabを利用することにより、提案方式のOFDM送受信機モデルを作成した。そして、複数の送信機が送信する同一OFDM信号を生成し、その合成波を受信機で受信した場合のビット誤り率の評価を行った。結果より、提案方式は特に多数の反射波が存在するレイリーフェージング環境において高い特性改善が見受けられ、その特性改善は最大比合成を行うのと同等との結果を得た。・OFDM協力中継通信方式用のアクセス制御手法の開発本検討では、複数の送信端末が自律的に送信タイミングを同期可能なアクセス制御方式の開発を行った。具体的には、マルチホップネットワークで利用される通信デバイスで頻繁に採用されるCSMAと呼ばれるアクセス制御メカニズムを拡張することにより、同一の送信元端末、同一のホップ数、同一のパケットシーケンス番号の時には、同一のタイミングで送信処理を開始する方式を提案した。また、本方式をネットワークシミュレータであるQualNet上に実装した。また、シミュレーション結果から提案方式を利用することで、短時間でパケット中継が可能であることを確認した。今後の研究では、主にOFDM協調通信を用いたマルチキャスト方式とユニキャスト方式について研究を進めて行く。特に、マルチキャスト方式では既存経路制御プロトコルとOFDM協調通信を組み合わせた場合の特性改善効果を明らかにすることで、既存の標準化プロトコル利用時のメリットを明らかにする。さらに、既存経路制御プロトコルを拡張した場合の特性改善が可能なのかについて研究を進める。
歯牙移植・再植治療における歯根吸収抑制剤開発のための基礎的研究

昨年度確立したMMERはenamelinの発現は誘導できるものの、最終分化マーカーであるaelogeninを発現しないことから、エナメル芽細胞へ最終分化しない細胞集団であることが判明した。そこでエナメル芽細胞へ分化能力を有する歯原性エナメル上皮細胞に着目し、これらをエナメル芽細胞へ分化誘導採取することを試みた。この目的に、生後一日齢のマウス歯胚よりエナメル上皮細胞(mice dental epithelium : MDE)を分離培養し、1細胞不死化を試みた。MDEは3回継代すると増殖を停止してしまうが、HPV16E6ΔPDZを用いて不死化すると無限増殖することが確認された。MDEはMMERと異なり、長期培養するとamelogeninを発現することが確認することから、エナメル芽細胞へ分化誘導を有する細胞集団であることが確認された。MDEの遺伝子発現を確認したところ、高いenamelinの発現が確認され、一方amelogeninおよびameloblastinの発現は低いことが判明した。これらの遺伝子発現を誘導するには、基底膜蛋白質であるlaminin10/11をコートした培養皿を用いることが必要であることが判明した。現在はMDEを用いて、エナメル芽細胞分化に必要な条件を検討中である。具体的にはamelogenin、ameloblastinの発現を上昇させるサイトカインを検索中である。今年度はマラッセ残存上皮細胞の培養系を確立するために、エナメル上皮細胞の分離培養を試みた。出生後1日齢のマウス切歯歯胚の歯根アナログ側の歯根に付着している組織を採取し、上皮細胞専用無血清培地を用いてマラッセ上皮細胞(Mouse Mallase's Epithelial Rest : MMER)の選択培養を試みた。その結果、培養皿上で上皮細胞の形態を示す細胞集団がoutgrowthすることが観察された。しかし、これらの細胞は3回以上継代すると増殖を停止してしまうため、安定した細胞株を作製するため細胞不死化を試みた。MMERの不死化にはヒトパピローマウイルス16型E6遺伝子を導入し、p53遺伝子の不活性化による寿命延長を試みた。遺伝子導入した結果、MMERの寿命は延長し100日以上継代可能な不死化細胞であることが確認された。そこでMMERの特性を調べるため、エナメル蛋白質の発現をRT-PCRで解析した。その結果、エナメル蛋白質であるenamelinを高発現していることが観察された。しかし、同じくエナメル蛋白質であるamelogeninおよびameloblastinの発現は認められないことから、MMERは未分化な表現型を示すことが考えられた。次にMMERの分化誘導を目的に、基底膜成分の影響を調べたところ、MMERはlaminin10とfibronectinに対して高い接着活性を有することが確認された。そこでMMERをlaminin10あるいはfibronectin上で長期培養を行いエナメル蛋白質の遺伝子発現をRT-PCRで確認したところ、amelogenin, ameloblastinおよびenamelinの遺伝子発現はlaminin10およびfibronectinにより影響を受けないことが判明した。以上の結果より、細胞不死化技術でMMERの分離培養は可能になるが、マラッセ上皮遺残細胞としての表現型を出すには、適切な分化誘導条件が必要になることが考えられた。このような培養条件は次年度に探索していく予定である。昨年度確立したマラッセ上皮細胞(Mouse Mallase's Epithelial Rest : MMER)の培養条件を確立するため各種培地を用いた培養条件を検討した。まずは上皮細胞専用無血清培地に線維芽細胞増殖因子(fibroblast growth factor : FGF10)を用いて増殖能力を検討した。その結果FGF10添加によりMMERの増殖は維持されることが確認された。そこで同培地を用いて21日間の長期培養を行いエナメル蛋白質であるamelogenin、ameloblastinおよびenamelinの遺伝子発現をRT-PCR法で解析した。その結果、同培地で長期間培養するとenamelinの発現は観察されるものの、amelogeninおよびameloblastinの発現は観察されなかった。

一方、秋田大学の杉山らが確立したマウスエナメル芽細胞は血清を含むDulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM)でエナメル蛋白質遺伝子の発現を誘導できることを報告している(Biochem Biophys Res Commun. 2003Sep 5;308(4):834-839.)。そこでMMERを同条件で培養し分化誘導を試みたところ、同培地によりMMERは敷石状の形態を示した。そこでエナメル蛋白質の遺伝子発現をRT-PCR法で解析した。しかし同条件でもenamelinの発現を誘導できるが、amelogeninおよびameloblastinの発現を誘導するには至らなかった。以上の結果よりMMERの分化誘導には上記の条件以外の液性因子あるいは環境因子を必要とすることが判明した。来年度はさらにMMERの分化誘導条件を探索していく予定である。昨年度確立したMMERはenamelinの発現は誘導できるものの、最終分化マーカーであるamelogeninを発現しないことから、エナメル芽細胞へ最終分化しない細胞集団であることが判明した。そこでエナメル芽細胞へ分化能力を有する歯原性エナメル上皮細胞に着目し、これらをエナメル芽細胞へ分化誘導採取することを試みた。この目的に、生後一日齢のマウス歯胚よりエナメル上皮細胞(mice dental epithelium : MDE)を分離培養し、細胞不死化を試みた。MDEは3回継代すると増殖を停止してしまうが、HPV16E6ΔPDZを用いて不死化すると無限増殖することが確認された。MDEはMMERと異なり、長期培養するとamelogeninを発現することが確認することから、エナメル芽細胞へ分化誘導を有する細胞集団であることが確認された。MDEの遺伝子発現を確認したところ、高いenamelinの発現が確認され、一方amelogeninおよびameloblastinの発現は低いことが判明した。これらの遺伝子発現を誘導するには、基底膜蛋白質であるlaminin10/11をコートした培養皿を用いることが必要であることが判明した。現在はMDEを用いて、エナメル芽細胞分化に必要な条件を検討中である。具体的にはamelogenin、ameloblastinの発現を上昇させるサイトカインを検索中である。