hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
全ゲノム配列を用いた嗅覚および他の化学受容体遺伝子ファミリーの比較進化解析

環境中の匂い分子は、嗅覚受容体(olfactory receptor, OR)によって検出される。匂いの多様性に対応して、脊椎動物ゲノム中には非常に多数のOR遺伝子が存在する。本研究では、霊長類の進化過程において、嗅覚の退化(OR遺伝子の減少)と色覚の進化(三色色覚の獲得)との関連性を調べた。その結果、従来の説とは異なり、両者は直接リンクしていないことを示した。また、ナメクジウオ(脊椎動物の祖先に相当する種)を含む多数の脊索動物ゲノムを用いた網羅的解析を行い、OR遺伝子ファミリーの起源と初期進化の過程を明らかにした。今年度は以下の研究を行った。1.霊長類の進化過程における嗅覚の変化を知るために、マカクザル・チンパンジー・ヒトのゲノム配列から全嗅覚受容体(OR)遺伝子を決定し、詳細な分子進化解析を行った。その結果、従来言われていた説とは異なり、ヒト・チンパンジー間でOR機能遺伝子数、偽遺伝子の比率、偽遺伝子化の速度にはほとんど差がないことを明らかにした。一方、ヒト・チンパンジー間でオーソロガスな機能遺伝子は約75%しか存在せず、両者のOR遺伝子レパートリーは大きく異なっていることも明らかにした。本研究は京都大学霊長類研究所の郷康広博士と共に行い、その結果は国際誌Molecular Biology and Evolutionに掲載された。2.脊椎動物OR遺伝子ファミリーの起源と初期進化を知るために、ナメクジウオ・ホヤ・ヤツメウナギ・ギンザメ・5種の硬骨魚・カエル・トカゲ・ニワトリの全ゲノム配列からOR遺伝子を同定し、分子進化解析を行った。その結果、以下のことを明らかにした。(1)ナメクジウオは嗅覚器をもたないが、脊椎動物型のOR遺伝子をもつ。従って、OR遺伝子ファミリーの起源は脊索動物の共通祖先にまで遡る。(2)尾索動物(ホヤ)の系統ではOR遺伝子は失われた。(3)系統樹上でOR遺伝子に含まれるいくつかのグループは、実際には嗅覚受容体ではない。(4)水棲の脊椎動物と陸棲の脊椎動物ではOR遺伝子レパートリーが大きく異なる。(5)少数のOR遺伝子のグループは、水棲・陸棲の脊椎動物両方に存在する。以上の結果は、国際誌Genome Biology and Evolutionに掲載予定である。以上の研究成果は、国内外の学会やシンポジウムで発表した。また、ペンシルバニア州立大学の根井正利教授、野澤昌史博士とともに、国際誌Nature Reviews Geneticsに化学受容体遺伝子の進化に関するレビューを執筆した。霊長目の進化過程で、三色色覚の発達に伴って嗅覚の重要性が低下し、嗅覚受容体(OR)遺伝子が失われたとする仮説がある。霊長目における嗅覚の進化過程とヒト嗅覚の特異性を理解するために、オランウータンおよび完全な三色色覚をもたないマーモセットの全ゲノム配列からOR遺伝子を同定し、ヒト、チンパンジー、アカゲザルの遺伝子と共に比較解析を行った。その結果、マーモセットの機能遺伝子数はヒトやチンパンジーとほとんど同じで、アカゲザルやオランウータンはそれより少ないことが分かった。また、5種間の相同遺伝子を用いた解析の結果、狭鼻猿類の各系統で機能遺伝子は徐々に失われており、三色色覚の獲得によりOR遺伝子が急激に減少したことはないことが示された。5種の共通祖先がもっていたOR遺伝子は、オランウータン、アカゲザルで他の3種よりも大きく失われていた。更に、ヒトのOR遺伝子レパートリーは、進化的に近縁なオランウータン、アカゲザルよりもむしろマーモセットに類似していた。これらのことから、ヒトの嗅覚は、他の霊長目と比べてそれほど退化していないことが示唆された。この研究結果は、国際誌Molecular Biology and Evolutionに採択された。上の結果および、今年度Genome Biology and Evolution誌に発表された脊索動物のOR遺伝子ファミリーの起源に関する研究について、国内外の多数の学会・研究会で発表した。また、国際誌・国内誌に、OR遺伝子の進化について多数のレビューを執筆した。1.霊長目の中で、狭鼻猿類のみが三色色覚を有することから、三色色覚の獲得に伴って嗅覚の重要性が低下し、嗅覚受容体(OR)遺伝子が失われたとする仮説がある。この仮説を検証するため、完全な三色色覚をもつ狭鼻猿類(ヒト・チンパンジー・オランウータン・アカゲザル)と、そうでない新世界猿(マーモセット)のOR遺伝子を決定し、それらを比較した。その結果、上の仮説に反して、マーモセットの機能遺伝子数はヒトやチンパンジーとほぼ同じであった。また、5種間の相同遺伝子を用いた解析の結果、狭鼻猿類の系統樹の各枝でOR機能遺伝子は徐々に失われており、上の仮説は支持されないことを示した。この結果はMolecular Biology and Evolution誌に掲載された。

2.哺乳類におけるOR遺伝子ファミリーの多様性を明らかにするために、38種の哺乳類の全ゲノム配列から網羅的にOR遺伝子を同定した。その中にはカバレージの低い(<2x)ゲノム配列も含まれるため、TraceArchiveデータベースを用いて、低精度ゲノム配列から全OR遺伝子数を推定する手法を確立した。3.マラリア病原虫の蛋白質間相互作用ネットワーク(PIN)と酵母・線虫・ハエ・ヒトのPINとでは、大域的な構造が異なる。この差異は、相互作用するタンパク質数によって遺伝子の重複率が異なるというネットワーク進化モデルによって説明できることを示し、実際のデータがそのモデルに合致していることを見いだした。この結果はBMC Evolutionary Biology誌に掲載され、30日間で最も多くアクセスされた論文となった。以上の成果は、国内学会・国際学会で発表するとともに、いくつかの著書を執筆した。また、色覚と嗅覚の進化に関しての一般向けのポピュラー・サイエンス書を執筆中である。
マウス受精卵の第二極体における半数体ゲノムの安定性と発生運命

本研究では、PB2ゲノムの正常性を調査し、PB2の融合が混倍数性の原因となりうるか調査した。受精後放出されたPB2の多くは受精後72時間までDNA合成を完了せずS期の途中で留まっていたものの、アポトーシスを起こさずに生存していた。PB2を2細胞期の1割球に融合し混倍数性受精卵の作出を試みたところ、融合したPB2は割球の細胞周期に同調して核分裂を行い、3倍体細胞を含む混倍数性受精卵の形成に関与した。3倍体細胞は胚盤胞期で内部細胞塊や栄養膜に分化し、一部は胎盤組織に分化したことから、PB2融合が混倍数性の原因となる可能性が示唆された。本年度は、第二極体(PB2)融合による混倍数性受精卵の作出とその発生能の調査を目的として、PB2と割球の融合方法の検討、および融合した割球内におけるPB2ゲノムの挙動を調査した。更に、PB2を融合した割球(3倍体細胞)の発生運命を解析した。不活化センダイウイルス(SV)法と電気融合(EF)法による、2細胞期でのPB2と割球の融合率は、SV法で93.8%、EF法で90.4%であった。それらの融合卵の胚盤胞期への発生率は、SV法で93.8%、EF法で87.2%であり、両方法の成績に有意差はみられなかった。ただし、時間当りの融合卵作出効率はSV法がEF法よりはるかに高く、操作性の点でSV法が優っていた。そのため、以下の実験にはSV法を採用した。3倍体細胞におけるPB2由来の染色体は、分裂中期には割球由来の染色体と同調して凝縮し、紡錘体に取り込まれて赤道面に並んでいる像が確認された。GFPマウスのPB2を用いて作製した融合卵の観察では、GFP蛍光は4細胞期まで認められなかったが、桑実期以降では40%以上に観察された。GFP陽性であった19個の胚盤胞について内部細胞塊(ICM)と栄養膜(TE)を分染してGFP蛍光分布を観察したところ、2個はICM、15個はTE、残り2個は両方に蛍光が認められた。胚盤胞期の融合卵を偽妊娠マウスの子宮に移植し、得られた胎齢11日の胎仔12個体とその胎盤の凍結切片から3倍体細胞の局在を調査した結果、胎仔のいずれにも3倍体細胞は認められなかったが、1例の胎盤に3倍体細胞が観察された。以上の結果から、融合卵作製にSV法が効率的であること、融合したPB2は、割球の細胞周期に同調して紡錘体を形成すること、また、PB2由来の3倍体細胞の一部は胎盤組織になるものの胎仔組織には分化せず、多くは妊娠初期に退化消失する運命であることが示唆された。本年度は、第二極体(PB2)における半数体ゲノムの安定性について検討するために、種々のステージにあるマウス受精卵のPB2を用いてDNA合成、アポトーシスの有無、早期染色体凝縮(PCC)法による染色体異常の有無を調査した。また、PCC誘導後のクロマチン形態によって、PB2における細胞周期のステージの判定も試みた。BrdUの取り込みを指標としたDNA合成の解析では、1細胞期受精卵のDNA合成は受精後12時間までに完了したが、PB2のそれは24時間まで及んでいた。TUNEL法とカスパーゼ法による解析では、アポトーシス陽性を示したPB2の割合は受精後72時間まで10%以下であった。受精後4-6時間の1細胞期受精卵から採取したPB2の染色体をPCC法で分析したところ、ほぼ全ての染色体像はG1期像であり、染色体異常率は2.6%と低かった。一方、受精後24、48および72時間では90%以上がS期像を示した。そのため、染色体解析はできなかった。これらの研究結果に基づいて、PB2に由来する混倍数性受精卵の作製を試みた。不活化センダイウイルスを用いてPB2を2細胞期の初期および中期-後期の割球の1つと融合し、4細胞期になった時の各割球の核の形態と染色体を解析した。融合受精卵の90%以上が4細胞期へ発生した。2細胞期初期の融合では4細胞期受精卵の80%以上が正常形態の核をもっていた。また染色体分析によって、2倍体と3倍体の割球が混在した4細胞期受精卵も確認された。一方、2細胞期の中期-後期の融合では正常形態の核をもつ割球が顕著に低下した(27.5%)。

以上の結果から、多くのPB2は受精後72時間までS期に留まっており、しかもアポトーシスを起こさずに生存していることが明らかとなった。またPB2は、受精卵の割球の1つに融合することにより混倍数性受精卵の形成に関与することが示された。本年度に予定していた検討項目である、PB2を用いた(1)DNA合成、(2)アポトーシスの有無、(3)PCC法による染色体異常の有無と細胞周期のステージ判定の調査はすべて終了し、「PB2ゲノムがいつまで安定か」という疑問に答えることができる研究成果を得ることができた。また、次年度の研究計画の一部である混倍数性受精卵の作製、ならびに分裂後の核の形態と染色体の解析も行った。以上の点から、申請者は、本研究は当初の計画以上に進展していると評価した。本年度得られた研究成果をもとに、PB2に由来する混倍数性の生成機序の解明につながる基盤となる検討を引き続き行う。具体的には、以下の3つの検討を行う。【実験1】PB2と割球の融合方法を検討するために、不活化センダイウイルス法と電気融合法におけるPB2と割球の融合率と作製した受精卵の体外培養成績を比較する。【実験2】PB2に由来するゲノムの動きを追跡するために、融合によってできた3倍体細胞の分裂中期紡錘体を観察し、染色体が正常に赤道面に配列されるかどうかを観察する。【実験3】全身性にGFPを発現するグリーンマウス由来の2PBを受精卵の割球の1つに融合し、混倍数性受精卵における三倍体細胞の可視化を試みる。さらに、作製した受精卵を胚盤胞期まで体外培養し、三倍体細胞の局在をGFP蛍光を指標に観察する。また、本研究により得られた結果を取りまとめ、研究成果を学術誌に投稿し、国内外の学会にて発表する。来年度は、1匹あたりの単価が高いグリーンマウスを使った実験が主体になるため、本年度に使用する予定だった研究費の一部を来年度に繰り越した。
タッチパネル式コンピュータによる高学歴専門職集団の痴呆の早期スクリーニング

健常群、MCI例とも一般平均と比較してRCPMが高値の傾向であった。健常群では前年度と比較し明らかな得点の変化は認めなかった。MCI例ではTCSS,WCST,MMSE,RGPMに変化はなく正常範囲内であったが,RBMTでは前年度より点数の低下を認めた。また,画像検査では,MCI例で頭部MRI上変化は認めなかったが,脳血流シンチで両側側頭葉と前頭葉に血流低下を認め,前年度より広範囲となっていた。以上から高学歴専門職集団では,TCSS,WCST,MMSEは一般平均と比較し明らかな差は認めないが,RCPMで高値となる傾向がある。RBMTは認知機能を反映し,目常生活レベルでの機能低下を反映しうる。画像検査に関しては,MCI例において頭部MRIでは異常を検出し得なかったが,脳血流シンチで早期から血流低下を検出し得る。研究に関して院内倫理委員会に申請、承諾を得た。日常生活動作に問題を認めず、鬱病が否定された5名に対して上記検査を施行した。検査結果は5名ともタッチパネル式スクリーニングシステム、MMSEで特に低下はなくmild cognitive impairment(MCI)の状態ではなかった。5名の中数名はWCSTで保続やセットの維持困難が認められた。WCSTは複雑で特定の原因や損傷に関する解釈は難しい。高齢者では神経学的状態と関係なくより多くの保続がみられるとの報告があり、今回の結果が直接MCIの初期状態とは考えられない。しかし今後の経過で被験者の中でMCIに移行、もしくは認知症を呈する可能性がありWCSTがMCIで初期に低下する可能性も考えられる。今年度は研究初年度であるため倫理委員会申請、審査などに時間がかかったため年度内実施者は予定人数を下回った。今後は約10名さらに検査を施行予定であり、来年度は年度初めから対象例を増やしこれらを含めて年単位で経過を追い検討する予定である。前年度に提出した研究計画に基づき院内倫理委員会に申請、承諾を得た。健常群・MCIともに、タッチパネル式スクリーニングシステム、MMSE、RCPMでは低下を認めなかった。WCSTに関しては、健常群でも低下している例が存在したのに対し、MCI例では低下を認めなかった。RBMTでは健常群がすべて年齢平均値以上であったのに対し、MCI例では低下していた。MCIと診断した1例に対して、頭部MRI画像と脳血流シンチを施行した。MRI画像では海馬傍回などの軽度萎縮を認め、脳血流シンチでは両側の側頭葉と前頭葉に血流の軽度低下を認めた。以上より本研究の対象とした高学歴専門職集団では、健常群のMMSEやRCPMでは得点が高値であり、MCI例でも成績低下は検出されなかった。従ってこのような対象に対しては、MMSEやRCPMでは感度が低すぎる可能性があるため、MCIの検出には、リバーミード行動記憶検査の方が適していると考えられた。今後は上記9名に対して、経時的変化の検討を行う予定である。
地震波動場のモニタリングによるリアルタイム地震解析システム

本科研では長周期の波動場を常時モニタリングし,その瞬間の波動場をもっともよく説明する"地震"の発生(時間,場所)・メカニズム(断層パラメターなど)をリアルタイムで常時決定するシステムの構築を目指している.波動場は常に存在するので,このような解析システムからは常に"地震"が決定されることとなる.得られる結果は,ほとんどの場合ランダムな長周期地動ノイズを説明する意味のないものであるが,長周期の地震動を引き起こす本当に事件(地震でも火山噴火でも海底地滑りでも何でも地球を揺らすeventであればよい)が起きた場合,それに対応した"地震"が決定されることになる.本科研の当初の目標は,上に述べたような解析システムを地震研究所が観測網を展開している関東地方において実用化することであった.実際にシステムを構築する上で多少の変更はあったものの,当初の目的はほぼ達成された.現在,一つのPCで,平面上で250km四方(深さ100km)の領域をカバーできるシステムが完成し,北海道,東北,関東,東海の太平洋岸の地震活動を常時モニターしている.そのリアルタイム解析情報は,GRiD_MT (Grid-based Realtime Determination of Moment Tensors)ホームページで公開されている:http://wwweic.eri.u-tokyo.ac.jp/GRiDMT/モニター領域で地震が発生すると2-3分遅れで解析結果(地震の時間,位置,メカニズム(モーメント・テンソル解))が出るようになっている.本科研では長周期の波動場を常時モニタリングし,その瞬間の波動場をもっともよく説明する"地震"の発生(時間,場所)・メカニズム(断層パラメターなど)をリアルタイムで常時決定するシステムの構築を目指している.波動場は常に存在するので,このような解析システムからは常に"地震"が決定されることとなる.得られる結果は,ほとんどの場合ランダムな長周期地動ノイズを説明する意味のないものであるが,長周期の地震動を引き起こす本当に事件(地震でも火山噴火でも海底地滑りでも何でも地球を揺らすeventであればよい)が起きた場合,それに対応した"地震"が決定されることになる.本科研の当初の目標は,上に述べたような解析システムを地震研究所が観測網を展開している関東地方において実用化することであった.実際にシステムを構築する上で多少の変更はあったものの,当初の目的はほぼ達成された.現在,一つのPCで,平面上で250km四方(深さ100km)の領域をカバーできるシステムが完成し,北海道,東北,関東,東海の太平洋岸の地震活動を常時モニターしている.そのリアルタイム解析情報は,GRiD_MT (Grid-based Realtime Determination of Moment Tensors)ホームページで公開されている:http://wwweic.eri.u-tokyo.ac.jp/GRiDMT/モニター領域で地震が発生すると2-3分遅れで解析結果(地震の時間,位置,メカニズム(モーメント・テンソル解))が出るようになっている.本研究計画では,広帯域地震計ネットワークによって得られる良質のデジタルデータを利用し,長周期(>10秒)波動場をモニタリングし,波動場と調和的な地震活動場を常時決定し,地震活動のリアルタイム・モニタリングを行う解析システムを作り上げることを目標としている.科研の初年度にあたる今年度は,当初の研究計画に沿って,システムの設計・シミュレーションを行った.既存の自動モーメント・テンソル解析ソフトに手を加え,長周期波動場のリアルタイム解析用のソフトを構築し,ワークステーション上でシミュレーション実験を開始した.また解析結果のリアルタイムTVモニター表示・ホームページ表示のシステムの開発も平行して開始した.実際のシステムでは,地震研究所・地震地殻変動観測センターの関東ネットワークのデータを使う予定である.この際,win(Urabe,1998)フォーマットのパケットデータがリアルタイムで衛星から送られてくる場合に,どのようなデータ処理(フィルタリングなど),パソコン間のデータ通信が最適か,データの流れのシステム設計をした.情報交換・共同研究のため,2000年12月に研究協力者の加藤護(地震研究所COE非常勤研究員)がカリフォルニアを訪れ,2001年1月に2人の海外共同研究者(Tajima博士とRomanowicz博士)が日本を訪れ,意見交換を行った.すでに同様のシステムを構築しつつあるカリフォルニア大のグループから,path calibrationの重要性が指摘され,カリフォルニアに較べて構造の複雑な日本ではより重要問題になることが予想され,今後の課題として認識された.本研究計画では,広帯域地震計ネットワークによって得られる良質のデジタルデータを利用し,長周期(>10秒)波動場をモニタリングし,波動場と調和的な地震活動場を常時決定し,地震活動のリアルタイム・モニタリングを行う解析システムを作り上げることを目標としている。2年目に当たる今年度は,既存の自動モーメントテンソル解析ソフトにさらに改良を加えて,長周期波動場のリアルタイム解析用ソフトとして,実際の運用に耐えうるレベルまで開発を進めた.その性能は以下となった.モニタリング対象領域を21×21×5(5km間隔)のメッシュに分割し,各メッシュに対して,リアルタイム(1秒間隔)でCMT解を決定するモニタリングテストを実施した.波形データには,3観測点分の観測データ(9チャンネル)を使用し,必要なすべての処理(データ受信,フィルタリング処理,インバージョン,モニター表示)を今年度購入したPC1台で試みた.処理時間は,約0.3秒であり,1秒間隔で余裕をもって解析を行えることがわかった.また,決定されたCMT解は,地震発生後2分(インバージョンに必要な波形の長さ)で解が決定され,かつ,実際の震源位置において,理論波形と観測波形のフィットを表すVariance Reduction(VR)が最大となることもわかった.

この成果を地震学会秋期大会とアメリカ地球物理学連合秋期大会において報告した.本研究計画では,広帯域地震計ネットワークによって得られる良質のデジタルデータを利用し,長周期(>10秒)波動場をモニタリングし,波動場と調和的な地震活動場を常時決定し,地震活動のリアルタイム・モニタリングを行う解析システムを作り上げることを目標としている.昨年度完成したプロトタイプシステムは,(1)データ受信(recvt, order),(2)フィルタリング処理(ecore2),(3)共有メモリから標準出力への変換(shmdump),(4)CMTインバージョン(mtinv),(5)可視化およびモニタリング(rmtplot)から構成されていたが,本年度は(2)のフィルタリング処理を(3)に組み込みことによってより柔軟かつコンピュータリソースを有効活用できるシステムへの強化を行った.また,リアルタイム波形モニターソフトの開発を行い,衛星により配信される波形データを容易に監視可能となった.構築したシステムを用いて,関東領域のモニタリングを実施した.フィルタリング処理において(A)単一の周期帯(20-50秒)を用いた場合と(B)複数の周期帯(10-25秒+20-50秒)を組み合わせる方式のテストを行った.地震の検出は(A)の場合はプログラムrmtinvにより得られたCMT解から合成される理論波形と観測波形とのフィットを表す指標(VR)だけで行うことになるが,(B)の場合においては得られた二つのCMT解のリセンブランスを考慮することにより信頼性の高い地震検出が可能となることがわかった.本研究により長周期波動場と調和的な地震活動場を常時決定するシステムが構築され,実験的運用が開始された.
政策評価による意思決定過程への影響、および評価手法の適用に係る考察

A.政治制度における評価機能の起こりに関する研究アメリカにあるGovernment Accountability Office (GAO)(政府活動検査院)の民主主義における役割Iを調べている。この組織は、行政府から独立しており、法律上、連邦議会(立法府)の付属機関であり、連邦議会からの要請を受け、行政府の活動の検査・評価を行う、非党派の機関である。この検査・評価組織の機能の変化(特に、プログラム評価機能への移行に注目)、アカウンタビリティ概念の変遷、そして、それらの民主主義制度へのインパクトについて明らかにすることを目的としている。そのために、政治学や評価研究などの関連領域の文献調査を米国ペンシルベニア州立大学および東京大学で行った。また、GAOとアメリカ評価学会においては、現在のGAO職員のみならず、GAOの移行期に詳しい人物への聞き取り調査も行った。また、一次資料の入手を行った。その上で研究の設計を行い、現在は、収集した情報やデータの分析を進めている。B.政府組織における評価の影響に関する研究加えて、別のプロジェクトとして、評価の利用に関する調査を進めている。関連文献調査とインタヴュー調査などを通じ、評価の結果のみに注目した従来型の分析ではなく、なぜその利用(影響)が起こったのか、または起こらなかったのかという利用(影響)のコンテクストについての調査を行っている。具体的には、National Science Foundation(米国科学財団)という研究助成を目的とした政府機関において、その助成金が対象とするプログラムの評価は、どのように行われ、それがどのように意思決定に影響を与えているのか、またはいないのか、その理由は何かについて、ペンシルベニア州立大学の研究者と調査を進めている。現在は、インタヴュー調査の最終段階にあり、その結果を見ながら、分析枠組みの設定について検討しているところである。1.評価の利用(影響)に関するシステマティックな分析を行った1970年代以降の論文・著書の文献リスト作成とそのレヴューを行い、1970年代から80年代初期に見られた、メタ分析などのシステマティックな分析が1980年代後半から少なくなり、2000年代に入り、再度その必要性を主張する研究者が現れていることが明らかになった。しかし、2000年代以降の議論では、1980年代初期までの分析の中心であった評価結果の利用という側面ではなく、評価の影響という、より長期的・複合的な概念を利用した分析が必要であると認識されている。2.その新たな概念枠組みの実証研究の現状と今後の展望を知るため、アメリカ・カナダ合同評価学会において、評価の利用(影響)に関する主要な著書・論文執筆者にインタヴュー調査を行った。また、学会後もメール上で議論を続け、非常に目に見えにくい影響をも含むこの概念における、分析単位の設定の難しさとその挑戦の重要性を知った。3.こうした文献調査とインタヴュー調査などを通じ、評価の結果のみに注目した従来型の分析ではなく、なぜその利用(影響)が起こったのか、または起こらなかったのかという利用(影響)のコンテクストについての調査を始めている。具体的には、National Science Foundation(米国科学財団)という研究助成を目的とした政府機関において、その助成金が対象とするプログラムの評価は、どのように行われ、それがどのように意思決定に影響を与えているのか、またはいないのか、その理由は何かについて、ペンシルベニア州立大学の研究者と調査を始めている。
強酸性温泉水中のレアメタルの地球化学的特徴と鉱物資源としての可能性

目的:わが国の先端技術に不可欠な希土類元素等のレアメタルは,マグマ起源の熱水により運搬され地表近くに金属鉱物資源として濃集していることが明らかになってきている.マグマから分離した流体が含まれる秋田県玉川温泉の強酸性温泉水には,重金属や希土類元素が高濃度で含まれている.また,温泉水が放流されている河川の中にもこれらレアメタルが濃集している可能性もあり,これらは資源として評価できる可能性がある.そこで,玉川温泉の強酸性温泉水と温泉水が流入する河川を地質学的・地球化学的に検討し,先端工業活動に不可欠な希土類元素・レアメタル等の移動・固定機構を解明する基礎的研究を行った.研究方法と研究結果:玉川温泉大噴(pH=1.2)の強酸性温泉水は,大噴から中和処理施設にて中和処理後,渋黒川へ放流され、玉川から雄物川を経て日本海に流れ込む.本研究では,大噴から仙北市田沢湖地域下流までの40Km温泉水,河川水と沈殿物を採取した.溶液試料は,現地で水温,pHの測定を行った後,0.45μmのフィルターでろ過を行った.沈殿物は,採取後風乾し,微粉末にした.これらの試料は,ICP-MS法による化学分析が行われた.玉川温泉大噴の温泉水には,約6ppbのインジウムが含まれる.このインジウムは,大噴から下流10Km地点までほぼ0.002(ppm/CI)と一定であるが,それ以降では減少し,下流30Km地点では検出限界以下となる.一方,沈殿物のインジウム含有量は,中和処理施設付近で3.89ppmであった.インジウム濃度は,その後大噴から下流6Km地点の0.16ppmまで減少した.しかし,10Km下流地点のインジウム濃度は,ふたたび3.47ppmと増加し,その後再び下流40Km地点の0.09ppmまで減少した.このことは,温泉水と合流した河川水は,下流へ流れ下る際,pH>3.2となる中和処理施設(pH=3.29)と玉川ダムサイト付近(pH=3.28)でインジウムの沈殿が起きたことを示唆している.世界の主なインジウム鉱床の品位は,数十から数百ppmであり,玉川ダム上流部の沈殿物のインジウム濃度は3.5ppmなので,典型的な鉱床よりは少し低い濃度であるが,濃集技術が改善されれば,インジウム資源の一助として有効であると考えられる.目的:わが国の先端技術に不可欠な希土類元素等のレアメタルは,マグマ起源の熱水により運搬され地表近くに金属鉱物資源として濃集していることが明らかになってきている.マグマから分離した流体が含まれる秋田県玉川温泉の強酸性温泉水には,重金属や希土類元素が高濃度で含まれている.また,温泉水が放流されている河川の中にもこれらレアメタルが濃集している可能性もあり,これらは資源として評価できる可能性がある.そこで,玉川温泉の強酸性温泉水と温泉水が流入する河川を地質学的・地球化学的に検討し,先端工業活動に不可欠な希土類元素・レアメタル等の移動・固定機構を解明する基礎的研究を行った.研究方法と研究結果:玉川温泉大噴(pH=1.2)の強酸性温泉水は,大噴から中和処理施設にて中和処理後,渋黒川へ放流され、玉川から雄物川を経て日本海に流れ込む.本研究では,大噴から仙北市田沢湖地域下流までの40Km温泉水,河川水と沈殿物を採取した.溶液試料は,現地で水温,pHの測定を行った後,0.45μmのフィルターでろ過を行った.沈殿物は,採取後風乾し,微粉末にした.これらの試料は,ICP-MS法による化学分析が行われた.玉川温泉大噴の温泉水には,約6ppbのインジウムが含まれる.このインジウムは,大噴から下流10Km地点までほぼ0.002(ppm/CI)と一定であるが,それ以降では減少し,下流30Km地点では検出限界以下となる.一方,沈殿物のインジウム含有量は,中和処理施設付近で3.89ppmであった.インジウム濃度は,その後大噴から下流6Km地点の0.16ppmまで減少した.しかし,10Km下流地点のインジウム濃度は,ふたたび3.47ppmと増加し,その後再び下流40Km地点の0.09ppmまで減少した.このことは,温泉水と合流した河川水は,下流へ流れ下る際,pH>3.2となる中和処理施設(pH=3.29)と玉川ダムサイト付近(pH=3.28)でインジウムの沈殿が起きたことを示唆している.世界の主なインジウム鉱床の品位は,数十から数百ppmであり,玉川ダム上流部の沈殿物のインジウム濃度は3.5ppmなので,典型的な鉱床よりは少し低い濃度であるが,濃集技術が改善されれば,インジウム資源の一助として有効であると考えられる.
プロトン伝導性ポリマーとシリカ微粒子からなる新規高分子電解質膜の開発

総合性能でNafion&#174;に替わる電解質膜の開発を目的として実施した。実施内容として、表面に2次元プロトン伝導経路を付与した機能性フィラーの作製を試み、これらを多点接触させ、3次元プロトン伝導チャンネルを構築し、より安価で大量生産可能な固体高分子電解質膜の設計・実証に取り組んだ。これまで、粒子共存制御ラジカル重合法を用いて、シリカナノ粒子表面にPAA-b-PS (polyacrylic acid-block-polystyrene)を被覆したコア-シェル型ハイブリッドナノ粒子の作製・評価を行い、目的のコア-シェル型ハイブリッドナノ粒子の作製に成功してきた。より高温域での稼働とプロトン伝導度向上を目的として、高耐熱性と高プロトン伝導性の発現に着手した。Poly(1-vinylimidazole)とPolyvinylphosphonic acid (PVPA)を目的化合物として、精密ラジカル(RAFT)重合を行い、それぞれdithiocarbamates型とxanthate型でのRAFT重合が可能であることを見出した。特にPVPAの系では、これまで水系での重合が一般的であったが、RAFT試薬の構造を見直すことで、有機溶媒中でのRAFT重合を可能とした点で意義深い。さらに、xanthates型RAFT試薬を用いて、粒子共存制御ラジカル重合法によりsilica@X1-PVPAを作製した。作製後、Imidazoleを吸着させ、PAA-b-PSを被覆したsilica@X1-PVPA/Im/PAA-b-PSの系では、最表面にブロッキング層が存在するにも関わらず、プロトン伝導性の著しい低下を抑制し、高プロトン伝導性(3.14×10-2 S/cm, 60°C, 98% RH)を発現した。また、180°C程度までの耐熱性が確認できている。以上、高プロトン伝導性の発現と耐熱性の向上を達成した。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
海綿動物と微生物の共生関係解明に向けたモデル宿主の確立

海綿動物には1000属以上の微生物が共生し、巨大な微生物共同体を構築しているが、微生物の共生経路の詳細は明らかになっていない。本研究では海綿動物の完全養殖の成功を基に、屋内水槽、屋外水槽、野外でのカイメンの飼育に成功した。また、生活環における各ライフステージにおける二次代謝産物、および、微生物叢の解析をおこなうことで海綿動物ー微生物の共生関係の一端を明らかにした。最も原始的な多細胞動物である海綿動物は、極めて単純な体構造を持つにも関わらず、6億年以上もの間、その体構造を大きく変えることなく進化してきた。この背景には、微生物との共生があると考えられる。実際に海綿動物には1000属以上の微生物が共生し、巨大な微生物共同体を構築しているが、微生物の共生経路の詳細は明らかになっていない。また、海綿動物の共生微生物の中には、様々な生物活性を示す二次代謝産物を生産する種が含まれていることが知られており、化合物を有効活用する上で、微生物の共生機構を理解することは重要である。このような背景のもと、我々は、海綿動物ー微生物の共生関係を包括的に明らかにするため、海綿動物におけるモデル生物を確立することを目指し、研究をおこなっている。本年度は、まず屋外水槽で飼育した海綿の生活環の各ステージにおける代謝物、および、微生物叢の変遷を解析した。また、特定の時期に得られた海綿動物の幼生をシャーレに定着させることに成功し、その定着の様子を観察した。その後、幼生の飼育を試みたが、閉鎖的な飼育環境では成長が著しく遅く、生存率が低いことが明らかとなった。継続的に海水を供給する開放系の環境では、十分に個体が成長できることから、次年度はシャーレに定着させた海綿を、開放系の飼育環境、および野外で飼育し、生活環の各ステージにおける代謝物、および、微生物叢の変遷を検討する。これらの情報を基に、閉鎖的環境で飼育するための因子を探る。年に1度しか実験することができないため、実験結果次第で、ある程度の進捗の遅れは想定していた。本年度得られた結果を踏まえて、次年度の研究計画を変更する。海綿動物は1000属以上の微生物が共生しているという研究報告があり、体内に巨大な微生物共同体を構築していることが推測できるが、微生物の共生経路の詳細は不明である。また、海綿動物の共生微生物の中には、有用な生物活性を示す二次代謝産物を生産する種が含まれると考えられていることから、化合物を大量に生産し有効活用するという技術開発の過程で、海綿動物と微生物の共生機構を理解することは重要である。このような背景のもと、本研究では海綿動物ー微生物の共生関係を包括的に明らかにするため、海綿動物におけるモデル生物を確立することを目指し、研究をおこなっている。昨年度までは、海綿動物の幼生をシャーレに着底させ、様々な飼育環境で生育せることに成功したものの、1)閉鎖環境における個体の成長が遅い、2)幼生の生存率が低い、などの問題が明らかとなった。本年度も、昨年度と同様の手法により、安定的な実験の実施を達成するとともに、様々な条件検討をおこなうことで、幼生の生存率をあげる手法の取得に成功した。また、海綿動物における化合物生産という観点からも新たな発見をすることができた。このように、本研究課題により、海綿動物と共生微生物の共生機構を明らかにする基盤が確立できたと考えている。現在、詳細な共生機構を明らかにするため、様々な実験を開始している。ただし、閉鎖環境における個体の成長が遅いという問題は解決できておらず、さらなる検討を重ねる必要がある。本年度は、幼生をシャーレに定着させ飼育する技術を確立することができた。次年度はさらに飼育条件を野外の条件に近づけて、飼育環境が海綿の生育、代謝物、共生微生物にどのような変化を与えるのかを解析する。海洋天然物化学申請研究実施のため、おおむね計画通り研究費を使用できている。次年度も計画通り、研究費を使用する。
遺伝子改変動物を用いた受精の分子メカニズムの解析

近年の遺伝子改変技術をはじめとする分子生物学的解析方法の進歩により、受精が複雑かつ厳密にコントロールされていることが明らかになってきているが、生体内でどんな現象が起こっているかは未だ謎に包まれている。本研究では精子が子宮に射出された後、どのように輸卵管を上り、膨大部に達して卵と出会うのか、生体内における受精のイメージングを試みた。我々が過去に樹立した、先体にGFP、ミトコンドリアにRFPを発現する蛍光精子をもつトランスジェニックマウスを用いて、子宮や卵管壁を通しての精子の挙動の観察を行った。トランスジェニックマウスの雄と交配させた雌の15分後の子宮、輸卵管を顕微鏡下にてリアルタイムで観察したところ、精子は子宮-卵管接合部(UTJ)から卵管狭窄部(isthmus)にかけて局在していたが、活発な鞭毛運動は見られなかった。そこで、30秒毎のタイムラプスを撮影したところ、精子がUTJからisthmusの方向へ列を成して上っていく様子が観察できた。さらに交尾後2時間の輸卵管を観察すると、輸卵管の蠕動運動によって精子の集団が行ったり来たりを繰り返しながら膨大部の方向へ運ばれていく様子が見られた。過排卵処理を行い、雄と交配させた雌から採卵し受精率の推移を調べると、卵が受精し始めてから全ての卵が受精するまでには約6時間かかっており、生体内における受精はIVFなどのin vitroでの受精系で見られるような、卵に対して多数の精子が一度に達し、一度に完了するものではないことが予想された。実際に膨大部における精子の局在を観察したところ、受精が進行中の時間帯では、卵1つに対して精子は1匹のみで余分な精子は認められず、膨大部に到達した精子は卵と確実に受精しているであろうことがわかった。今回の受精のライブイメージングにより、雌性生殖路における精子の挙動の全体像が明らかになった。精子と輸卵管、または精子と卵の相互作用の分子メカニズムの解明の一助になると考えられる。本研究では精子が子宮に射出されたあと、精子がどのように子宮・輸卵管結合部(UTJ)を通過し、輸卵管を上って卵と出会い、受精が成立するのか、連続的な流れの解明を目指している。精子の輸卵管移行は受精にとって必須のプロセスであるが、そのメカニズムはまだ明らかになっていない。過去にADAM3 KOマウスの精子では、透明帯結合不全と同時に精子が子宮から輸卵管へ上ることが出来ない、輸卵管移行障害が見られることが報告されている。今年度の研究計画の1つとしてADAM3 KOマウスの精子からADAM3と同時になくなる関連因子のノックアウトマウスを作製した。現在解析を進めており、輸卵管移行メカニズムの解明の一助となると考えている。さらに、実際の受精において、生体内ではどれくらいの数の精子が輸卵管をどのように上って受精の場である卵管膨大部に達するのか、観察を試みた。我々の研究室で過去に作製したgreen acrosome with red tail (GART)精子を用いることにより、マウスを生かした状態での精子の輸卵管移行のイメージングに成功しており、先体反応の観察については現在観察条件の検討を行っている。また、精子を卵管膨大部への移行を誘引する因子については引き続き解析中である。卵や卵丘細胞から精子の卵管膨大部への移行を誘引する因子が分泌されているのか、片側の卵巣を切除し排卵を抑制した雌を用いて実験を行ったが、卵巣の有無に関わらず精子は膨大部に存在することが観察された為、精子の輸卵管移行には卵や卵丘細胞から分泌される因子による誘引以外のメカニズムが強く関わっていることが示唆された。

実際に膨大部における精子の局在を観察したところ、受精が進行中の時間帯では、卵1つに対して精子は1匹のみで余分な精子は認められず、膨大部に到達した精子は卵と確実に受精しているであろうことがわかった。今回の受精のライブイメージングにより、雌性生殖路における精子の挙動の全体像が明らかになった。精子と輸卵管、または精子と卵の相互作用の分子メカニズムの解明の一助になると考えられる。
日本語学習者の習得過程に基づく評価と指導の研究

本研究は、従来の日本語教育の視点を「日本語学習者がどう学ぶか」を出発点として、学習者の習得過程を踏まえた指導や評価を考えることを提案するものである。具体的には、3年間の縦断的調査の日本語学習者:教室で日本語を学んだ学習者(以下教室指導学習者)、中国語母語話者3名と韓国語母語話者3名と学校に通わず日本国内で仕事をしながら日本語を学んだ学習者(以下、自然環境学習者)のマレー語母語話者1名の発話資料のコーパス・データ化し、以下の文法項目を対象として分析を行う。対象となるデータは、自然習得の学習者:マレー語話者1名の3年間のデータ32本のコーパス化(サコダコーパスA)と教室指導の学習者6名の45本のコーパス化(サコダコーパスB)を行い、その後、それらのコーパスを以下の14の文法項目の分析を実施するためのタグ付け作業を行った。その後、下記のデータを分析することによって国内における教室指導学習者と自然環境学習者の日本語習得の実態を検討し、文法項目も語彙項目と類似した習得過程の様相をしていること(例言う/言われる)などが推測された。分析対象項目(A)否定表現(B)自他動詞(C)名詞修飾構造(D)受身(E)のだ文(F)アスペクト「テイル」(G)授受表現(H)推量のモダリティ(I)接続詞「から」(J)複文のテンス(K)引用表現(L)終助詞「ね」「よ」「よね」(M)条件表現(N)形容詞さらに、上記で得た成果に基づき、日本語指導の提言としてインプットとアウトプットの強化を検討し、口頭練習の前に理解を促すためのインプット処理指導や即時処理に重点をあてたシャドーイング(耳から聞こえてくるインプットをほぼ同時に口頭再生すること)という指導法を提唱した。本研究は、従来の日本語教育の視点を「日本語学習者がどう学ぶか」を出発点として、学習者の習得過程を踏まえた指導や評価を考えることを提案するものであり、具体的には以下の3点を目的として行う。1.国内(教室指導学習者・自然環境学習者)と海外の日本語学習者の発話データから、日本語の習得過程の全体像(日本語習得マップ)を探る。2.学習環境による習得の違いを明らかにする。3.学習環境別の評価と教材を作成する。上記の目的の1.を踏まえ、本年度は以下の3点の作業を行った。(1)国内の教室環境学習者(中国語話者3名・韓国語3名)の3年間の対話資料のデータ化日本で1年間の語学学校での勉強を終え、その後専門学校生・大学生・研究生となった6名の3年間の縦断調査の48本(48時間分)の対話資料を書き起こしし、スクリプトデータとした。(2)国内の自然環境学習書(マレーシア語話者1名)の3年間のデータ収集とデータ化配偶者の日本留学に伴い来日したマレーシア人男性(工場勤務)の3年間の対話資料を書き起こしし、スクリプトデータとした。(3)文字化データの分析作業:院生や学術研究員の個々のテーマである「自他動詞の使い分け」「否定表現」「格助詞」「モダリティ」の項目別に分析を行い、研究会において発表数量的な分析と談話内容に関する質的な分析を行い、それぞれの特徴や傾向を報告した。(1)と(2)では、初期の習得傾向においてユニット形成の共通の傾向と異なる傾向が観察され、日本語習得マップの基礎的なデータが整理できた。平成16年度に行った作業および研究は、以下の通りである。(1)日本語学習者の発話資料の整理

a)縦断的調査の発話資料・・・韓国語話者3名・中国語話者3名の3年間の日本語母語話者との対話60分間の発話データを文字化b)自然習得者の発話資料・・・マレー語話者1名(工場労働者)の3年間の日本語母語話者との対話60分間の発話データを文字化c)実験的調査の発話資料・・・韓国の大学で日本語(JFL)を学ぶ学習者約30名の実験調査におけるロールプレイやインタビュー発話データを文字化d)実験的調査の結果・・・・・SPOT・JPT・リスニングスパンテストなどの結果を整理(2)テーマ別のデータ分析研究協力者により、「自他動詞の使い分け」「モダリティ」「否定表現」「授受表現」「可能表現」などのテーマ別のデータ分析を行い、レポートにまとめて発表を行った。自然習得者と教室習得者のデータを比較した上で、それぞれの習得の特徴(相違点・類似点)などをまとめて発表した。(3)教育指導への応用計画「音読」と「シャドーイング」の指導法を検討し、テストやインタビューによって日本語運用能力への影響について調査した。その結果、音読とシャドーイングが運用にプラスに影響を与える可能性が高いことが明らかになった。本年度は、本研究の最終年にあたり、「学習者がどう学ぶか」の解明を目標として、日本語学習者のコーパスのデータ化を図り、分析を通してそれぞれの文法項目の観点から習得段階を明らかにした。さらに、その結果を踏まえて具体的な指導法を考えるものである。具体的には、以下の作業を行った。(1)日本在住の自然環境の学習者(マレー語話者)1名の3年間のデータを文字化したサコダコーパスA版と教室指導環境の学習者(韓国語話者・中国語話者)6名の3年間にわたるサコダコーパスB版にタグを付け、それぞれの文法項目にしたがって分析を行った。(2)学習者7名の3年間の変化に重点を置き、それぞれの文法項目の習得過程の変化と特徴をまとめた。(3)具体的な研究対象とした文法項目は、以下の通りである。(a)自動詞と他動詞(b)否定表現(c)トキ節のテンス(d)授受表現(e)接続表現(カラ)(f)受身(g)引用表現(h)条件表現(i)形容詞(j)終助詞(ネ・ヨネ)(k)「のだ」文(l)推量のモダリティ(m)名詞修飾構造上記の結果をふまえ、学習者の誤用が残ってしまう現象(「化石化」を意識化させ、習得を促進するための一つの指導法としてシャドーイングの利用を提案した。今後の課題としては、上記の文法項目を軸として、(1)3年間の習得マップを作成すること、(2)それを踏まえての評価基準を設定すること、(3)指導法としてのシャドーイングの日本語指導における可能性を明らかにすることの三点を挙げ、さらなる研究を行っていく。
熱力学的エントロピーの生成を損傷の指標としたＣＦＲＰの耐久性評価

本研究は,様々な負荷・温度環境を経験した場合の耐熱CFRPの高温耐久性を議論するため,一方向耐熱CFRPの横方向引張破壊に関する耐久性評価を研究の目的としている.CFRPの高温耐久性を議論するためには,CFRPの構成要素である繊維と母材樹脂の温度・時間依存力学特性の他に,繊維/樹脂間の界面の力学特性も把握が必要となる.本研究では界面および樹脂の力学特性を取得した上で,マイクロスケールの数値解析を実施して耐熱CFRPの破壊特性を予測し,実験にてその妥当性を検証するという手法をとる.2018年度では,繊維,樹脂,界面から成るマイクロスケールの有限要素二次元モデルを作成し,様々なひずみ速度・温度における一方向CFRPの横方向引張破壊挙動の数値的予測をした.ここで,界面力学特性はマイクロドロップレット法にて取得した結果を用い,樹脂は弾塑性体,繊維は弾性体と仮定して数値解析を実施した.解析結果より,一方向CFRPの破壊様式は,低温・高ひずみ速度では界面はく離支配モード,高温・低ひずみ速度では母材樹脂損傷支配モードであることを示した.また,解析で得られた横方向引張破壊強度の比較検証のため,一方向耐熱CFRPの三点曲げ試験を実施した.三点曲げ試験の初期損傷部では横方向引張破壊が生じるため,これを比較対象とすることができる.実験の結果,温度・ひずみ速度に依存して曲げ強度は変化し,特に高温・低ひずみ速度領域の強度傾向は解析結果と一致した.上述の研究成果は国際学会2件および国内学会1件として報告した.当初は,界面および樹脂の力学特性を取得した上で,マイクロスケールの数値解析モデルを作成し,解析モデル内に取得した材料特性を組み込む予定であった.しかし,樹脂の力学特性取得に関しては,応力緩和試験,クリープ試験などの長時間を要する実験に加え,母材樹脂構成則を開発する必要があるため,これを解析モデルへ実装することは予定より時間を要すると判断し,数値解析モデルの枠組み作成に取り掛かった.作成した有限要素解析モデルの界面特性には,マイクロドロップレット法とその有限要素解析により決定した値を用いた.ここで,界面力学特性の同定に関する成果は国際誌にて発表した.また母材樹脂特性は,広範囲のひずみ速度領域の破壊様式を予測するために時間温度換算則を適用している.これらの点が先行研究より優れた点であり,様々なひずみ速度・温度環境下におけるCFRPの破壊様式をより正確に捉えることができた.また,三点曲げ試験の結果と解析結果を比較することで,破断強度およびその挙動の妥当性を検証することができた.樹脂の力学特性取得に関しては,母材樹脂供試体に対して,様々なひずみ速度での引張試験,クリープリカバリー試験,応力緩和試験を様々な温度環境下にて実施中である.これらの試験で得られた結果を利用し,様々な力学的負荷に対して包括的に適用可能な樹脂の非線形粘弾粘塑性構成則を現在開発中である.また,提案モデルを汎用有限要素解析ソフトに組み込むために,これに関するノウハウを有するシンガポール国立大学の研究室へ留学し,その知見を得た.計画の一部変更により,当初予定していた母材樹脂の構成則開発には至らなかったが,本年度で得られた結果に基づき,次年度に達成予定である.以上のことから,本研究課題はおおむね順調に進展しているといえる.2019年度では,母材樹脂の粘弾粘塑性特性と損傷特性を取得するために,樹脂供試体に対してさまざまなひずみ速度での引張試験,クリープリカバリー試験,応力緩和試験,DMA(動的粘弾性)試験をさらに実施予定である.これらの特性を用いて,様々な力学的負荷に対して包括的に適用可能な母材樹脂の非線形粘弾粘塑性構成則を確立する.上述した実験結果との比較を繰り返すことで,提案モデルの妥当性を検証予定である.また,母材樹脂構成則の決定に伴い,エントロピー増大に基づく損傷則も随時確立していく.損傷則の決定に関しては,母材樹脂単体が様々な負荷を受ける際の損傷と破断において,樹脂単体に対して実施した実験結果と提案モデルを比較することで決定する.提案する構成則に関する成果を,国際会議1件にて発表を予定している.さらに,上記の提案数理モデル(母材樹脂単体のエントロピー損傷を考慮した非線形粘弾粘塑性構成則)を汎用有限要素解析ソフトに組み込む.提案モデルを母材樹脂部分に導入した,耐熱CFRPの有限要素モデルにて,横方向引張破壊挙動の検証を実施予定である.その後,様々な温度・試験条件下,さらには様々な試験条件を組み合わせた試験(クリープ後引張試験条件など)にて数値解析を実施し,あらゆる温度・負荷履歴を考慮した一方向CFRPの残存強度を予測する.また,一方向耐熱CFRP供試体に対して,数値解析の負荷条件に準ずる検証試験を行い,一方向耐熱CFRPの高温耐久性を正確に評価する予定である.本研究は,様々な負荷・温度環境を経験した場合の耐熱CFRPの高温耐久性を議論するため,一方向耐熱CFRPの横方向引張破壊に関する耐久性評価を研究の目的としている.CFRPの高温耐久性を議論するためには,CFRPの構成要素である繊維と母材樹脂の温度・時間依存力学特性の他に,繊維/樹脂間の界面の力学特性も把握が必要となる.本研究では界面および樹脂の力学特性を取得した上で,マイクロスケールの数値解析を実施して耐熱CFRPの破壊特性を予測し,実験にてその妥当性を検証するという手法をとる.2018年度では,繊維,樹脂,界面から成るマイクロスケールの有限要素二次元モデルを作成し,様々なひずみ速度・温度における一方向CFRPの横方向引張破壊挙動の数値的予測をした.

ここで,界面力学特性はマイクロドロップレット法にて取得した結果を用い,樹脂は弾塑性体,繊維は弾性体と仮定して数値解析を実施した.解析結果より,一方向CFRPの破壊様式は,低温・高ひずみ速度では界面はく離支配モード,高温・低ひずみ速度では母材樹脂損傷支配モードであることを示した.また,解析で得られた横方向引張破壊強度の比較検証のため,一方向耐熱CFRPの三点曲げ試験を実施した.三点曲げ試験の初期損傷部では横方向引張破壊が生じるため,これを比較対象とすることができる.実験の結果,温度・ひずみ速度に依存して曲げ強度は変化し,特に高温・低ひずみ速度領域の強度傾向は解析結果と一致した.上述の研究成果は国際学会2件および国内学会1件として報告した.当初は,界面および樹脂の力学特性を取得した上で,マイクロスケールの数値解析モデルを作成し,解析モデル内に取得した材料特性を組み込む予定であった.しかし,樹脂の力学特性取得に関しては,応力緩和試験,クリープ試験などの長時間を要する実験に加え,母材樹脂構成則を開発する必要があるため,これを解析モデルへ実装することは予定より時間を要すると判断し,数値解析モデルの枠組み作成に取り掛かった.作成した有限要素解析モデルの界面特性には,マイクロドロップレット法とその有限要素解析により決定した値を用いた.ここで,界面力学特性の同定に関する成果は国際誌にて発表した.また母材樹脂特性は,広範囲のひずみ速度領域の破壊様式を予測するために時間温度換算則を適用している.これらの点が先行研究より優れた点であり,様々なひずみ速度・温度環境下におけるCFRPの破壊様式をより正確に捉えることができた.また,三点曲げ試験の結果と解析結果を比較することで,破断強度およびその挙動の妥当性を検証することができた.樹脂の力学特性取得に関しては,母材樹脂供試体に対して,様々なひずみ速度での引張試験,クリープリカバリー試験,応力緩和試験を様々な温度環境下にて実施中である.これらの試験で得られた結果を利用し,様々な力学的負荷に対して包括的に適用可能な樹脂の非線形粘弾粘塑性構成則を現在開発中である.また,提案モデルを汎用有限要素解析ソフトに組み込むために,これに関するノウハウを有するシンガポール国立大学の研究室へ留学し,その知見を得た.計画の一部変更により,当初予定していた母材樹脂の構成則開発には至らなかったが,本年度で得られた結果に基づき,次年度に達成予定である.以上のことから,本研究課題はおおむね順調に進展しているといえる.2019年度では,母材樹脂の粘弾粘塑性特性と損傷特性を取得するために,樹脂供試体に対してさまざまなひずみ速度での引張試験,クリープリカバリー試験,応力緩和試験,DMA(動的粘弾性)試験をさらに実施予定である.これらの特性を用いて,様々な力学的負荷に対して包括的に適用可能な母材樹脂の非線形粘弾粘塑性構成則を確立する.上述した実験結果との比較を繰り返すことで,提案モデルの妥当性を検証予定である.また,母材樹脂構成則の決定に伴い,エントロピー増大に基づく損傷則も随時確立していく.損傷則の決定に関しては,母材樹脂単体が様々な負荷を受ける際の損傷と破断において,樹脂単体に対して実施した実験結果と提案モデルを比較することで決定する.提案する構成則に関する成果を,国際会議1件にて発表を予定している.さらに,上記の提案数理モデル(母材樹脂単体のエントロピー損傷を考慮した非線形粘弾