hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
Lazy制御理論の構築と受動2足歩行制御への適用

【非線形lazy制御理論】スライディングセクター可変構造制御のlazy性(最小限の入力干渉とその低減)と、状態依存リカッチ制御による非線形システムヘの拡張性を融合させ、非線形システム安定化制御器の一設計方法を示した。倒立振子の振り上げ/倒立安定化に適用し、ロバスト性の向上と、状態依存制御単体では達成不十分だった制御入力の低減が達成でき、提案手法の有効性を実証できた。【人間動作からのlazy原理の探求】lazy理論の別の定式化に関する研究として人間のlazy性の解明に着手。lazy性と熟達は等価との仮説に基づき、人間の機械操作時の熟達化とその支援制御系理論について取り組んだ。力帰還型操縦装置を用いて人間の機械操作動作を計測、その熟達度を機械が推測して必要最小限度の干渉で操作者を支援するlazyアシスト制御系を提案。初心者に対する検証試験により習熟が促進されることを確認した。さらにlazy理論に関する萌芽的研究として、不慣れなタスクを実行している人間の脳の賦活状態の分析を実施。慣れとともにworking memoryの賦活が低下することが確認され、判断指標として使用できる可能性を確認した。以上により、習熟支援法としてのlazy制御の新たな方向性を提示した。【拘束条件に注目したモデリング手法の活用】サブシステム間の拘束力に注目したモデリング手法を活用し、拘束条件の不連続切替を含むエンジン機構部のモデリングに適用し、既提案手法の応用を示した。ピストン/クランク運動は、衝突を含む繰返し運動であり歩行運動とほぼ等価なので、歩行リミットサイクルのlazy安定化手法各種が適用できる。機構部以外の動的要素も加えてエンジンシミュレータを構築。実機現象を十分な精度で再現可能であることを確認でき、本申請研究の他分野への応用可能性を示せた。1.スライディングセクター可変構造制御(Sliding-Sector Variable Structure Control,以下SS-VSC)において、スライディングセクター(SS)を時変なクラスに対応可能なように理論の一般化を行った。これにより摩擦や経年変化といった、状態だけでなく時間にも依存する不確定要素を扱うことができる。本SS-VSCを静止摩擦が支配的な倒立振子の安定化制御問題に適用し、従来のVSCを上回る良好な結果を得、本理論の有効性を確認した。2.従来のSS-VSCの設計対象を、線形時不変システムから非線形時変システムに拡張する手法を提案した。本手法では、状態に依存して線形化した擬似状態空間モデルに基づき、状態依存リカッチ方程式(SDRE)を用いてSSを時々刻々更新して制御入力を生成する。本理論を倒立振子の振り上げ制御に適用し、従来のSDREに基づく制御よりも入力量を概略半分にでき、かつ同等の性能を維持できることを実証した。これによりlazy制御の目指す入力量最小化を達成する理論の枠組みを得た。3.lazy制御理論を歩行制御へ適用する前準備として、受動歩行を自律的歩行パターン生成器とするサーボ系により、平地での準受動的歩行に取り組んだ。その結果、目標信号の加速度の次元まで追従可能で、かつチャタリングの発生しないサーボ系の設計方法を示し、その収束性を理論的に証明した。本サーボ理論を実歩行器に適用し、良好な歩行結果を得た。4.遊脚接地時の衝突が歩行安定性に重要な役目を果たすことから、衝突力の制御法を検討した。衝突現象を模擬するためのボール振子型衝突試験装置を考案し、前述のサーボ系と参照軌道実時間予測・修正法と組み合わせることで、所望のエネルギーを衝突を介して対象物体に与えることのできる衝突現象制御方を提案し、実機試験により理論の有効性を確認した。【不変スライディングセクター可変構造制御系設計法】スライディングセクター可変構造制御(SS-VSC)に関して、スライディングセクター(SS)の不変なクラスの定義を与え、不確定性を陽に考慮したSSの設計法を提案した。本不変SS-VSCを未知の振動モードをもつ柔軟振動台上の倒立振子の安定化制御に適用し、実機でもその有効性を確認した。以上からロバストかつ入力低減可能な制御器の設計法を示し、システムへの干渉を低減することを目的としたLazy制御への展開の一例を示した。【拘束力を考慮したLazy制御系設計法】メカニカルシステムにおいて、機構構成要素をサブシステムに、サブシステム間を互いに運動可能なように連結する力学的要素を拘束力と考え、拘束力によってメカニカルシステムのダイナミクスをモデリングする手法を示した。さらに拘束力を制御の評価関数に導入して制御器のゲインを計算する、状態依存型非線形安定化制御理論を提案した。本理論を倒立振子の振上げ実験に適用し、その結果、滑らかで少ない動きによって振上げが実現でき、少ない制御入力で制御性能の向上を果たせるLazy制御系の実現法を示すことができた。【カオス的リミットサイクルを利用したLazy制御系設計法】機構の動力学的特徴を利用し、制御入力の変更頻度を低減することでLazy性を実現する制御方法として、周期的Lazy制御系の設計方法を検討した。カオス挙動の安定化手法として有名なOGY法をベースに、定常入力で周期運動の中心点が移動するモデルを立案、その中心点周りの安定化制御器を設計する方法を考案した。本設計法は解析モデルを使用せず、システムの特性に依存して発現する挙動から制御器を設計できる利点がある。受動歩行に適用し、受動歩行本来の安定歩行可能限界を大幅に超えて安定化が実現でき、擬似的な走行状態まで誘導できることを示した。【非線形lazy制御理論】

スライディングセクター可変構造制御のlazy性(最小限の入力干渉とその低減)と、状態依存リカッチ制御による非線形システムヘの拡張性を融合させ、非線形システム安定化制御器の一設計方法を示した。倒立振子の振り上げ/倒立安定化に適用し、ロバスト性の向上と、状態依存制御単体では達成不十分だった制御入力の低減が達成でき、提案手法の有効性を実証できた。【人間動作からのlazy原理の探求】lazy理論の別の定式化に関する研究として人間のlazy性の解明に着手。lazy性と熟達は等価との仮説に基づき、人間の機械操作時の熟達化とその支援制御系理論について取り組んだ。力帰還型操縦装置を用いて人間の機械操作動作を計測、その熟達度を機械が推測して必要最小限度の干渉で操作者を支援するlazyアシスト制御系を提案。初心者に対する検証試験により習熟が促進されることを確認した。さらにlazy理論に関する萌芽的研究として、不慣れなタスクを実行している人間の脳の賦活状態の分析を実施。慣れとともにworking memoryの賦活が低下することが確認され、判断指標として使用できる可能性を確認した。以上により、習熟支援法としてのlazy制御の新たな方向性を提示した。【拘束条件に注目したモデリング手法の活用】サブシステム間の拘束力に注目したモデリング手法を活用し、拘束条件の不連続切替を含むエンジン機構部のモデリングに適用し、既提案手法の応用を示した。ピストン/クランク運動は、衝突を含む繰返し運動であり歩行運動とほぼ等価なので、歩行リミットサイクルのlazy安定化手法各種が適用できる。機構部以外の動的要素も加えてエンジンシミュレータを構築。実機現象を十分な精度で再現可能であることを確認でき、本申請研究の他分野への応用可能性を示せた。
歩行中のすべり転倒機構の体系的解明に基づく転倒防止性に優れた超耐滑シューズの開発

本研究の目的は,以下の3点を行うことである.1.歩行中の靴底と床面間の接線力係数に基づいて,すべりの発生及び転倒防止に必要な靴底/床面間の静摩擦係数・動摩擦係数を解明する.2.靴底と床面間の必要摩擦係数と歩行動作の関係から,すべりにくい歩行動作を解明する.3.油で濡れた床面において,すべりが発生しにくく,転倒防止性に優れる超耐滑シューズを開発する.平成30年度では,小型3軸力覚センサを靴底に搭載したセンサシューズを開発し,直線歩行中に靴底面内に作用する垂直方向,水平方向の床反力ベクトル分布を明らかにした.さらに,垂直方向,水平方向の床反力の比から接線力係数及び各センサ位置での接線力係数の最大値である必要摩擦係数の靴底面内分布を明らかにした.その結果,必要摩擦係数は0.4以上の値を超える箇所が多く,また,かかと外足部,つま先部では0.6以上の値となることが分かった.これはフォースプレートを用いた床反力計測から求められる必要摩擦係数よりも大きな値であり,このことから,靴底接地面内の局所的な滑りを抑制するためには,0.6以上の高い摩擦係数を示す意匠設計が必要であることが示された.さらに,接地面内における局所的な床反力ベクトルから,特にかかと外側部では側方外側に接線力が生じることが示された.これらの知見(靴底接地面において高摩擦が必要な箇所及びすべりの方向の解明)に基づいて,平成29年に明らかにされた耐滑性に優れる靴底トレッドを用いることで,油で濡れた床面においてもすべりが生じにくく,転倒防止性に優れる超耐滑性シューズの開発が可能となった.本研究の目的は,以下の3点を行うことである.(1)歩行中の靴底と床面間の接線力係数に基づいて,すべりの発生及び転倒防止に必要な靴底/床面間の静摩擦係数・動摩擦係数を解明する.(2)靴底と床面間の必要摩擦係数と歩行動作の関係から,すべりにくい歩行動作を解明する.(3)油で濡れた床面において,すべりが発生しにくく,転倒防止性に優れる超耐滑シューズを開発する.平成28年度の研究では,健常成人16名(男性8名,女性8名)に対して直線歩行,右方向への60°及び90°の方向転換(軸足:右足及び左足)を3水準の歩行速度(遅い,普通,速い)で行うよう指示した.その結果,踏込期間では,左足を軸足とする90°右方向への方向転換において歩行速度が速い場合に,最も高い必要摩擦係数(RCOF=0.31±0.03)を示した.一方,踏切り期間では,踏込期間と同様に,左足を軸足とする90°右方向への方向転換において歩行速度が速い場合に,最も高いRCOF(0.37±0.04)を示すことが分かった.以上の結果から,すべりを生じないためには靴底と床面間には0.4以上の静摩擦係数が必要であるといえる.また,静摩擦係数よりも動摩擦係数は小さい場合には急滑りとなり,転倒しやすくなることから,動摩擦係数についても0.4以上の値が必要といえる.以上のことから,すべりの発生及び転倒防止に必要な靴底/床面間の静摩擦係数・動摩擦係数は0.4以上である.上述の歩行実験において推定されたCOM位置と床反力の作用点である圧力中心点(COP)を結ぶ直線と垂線のなす角度θの正接(tanθ)が,必要摩擦係数と高い正の相関(R>0.87, p<0.05)を示すことが分かった.このことからすべりにくい歩行動作は,この角度θを小さくすることができる歩行動作であることが分かった.平成28年度では当初計画通り,直線歩行,方向転換実験により,必要摩擦係数に基づくすべり転倒防止のために必要な静摩擦係数,動摩擦係数を明らかにすることができた.また,動作解析により,必要摩擦係数を低減できる歩行動作,すなわち,すべりにくい歩行動作に関する有用な知見を得ることが出来た.以上のことから,当初の目標に対して順調に進展しているといえる.本研究の目的は,以下の3点を行うことである.1.歩行中の靴底と床面間の接線力係数に基づいて,すべりの発生及び転倒防止に必要な靴底/床面間の静摩擦係数・動摩擦係数を解明する.2.靴底と床面間の必要摩擦係数と歩行動作の関係から,すべりにくい歩行動作を解明する.3.油で濡れた床面において,すべりが発生しにくく,転倒防止性に優れる超耐滑シューズを開発する.平成29年度では,矩形のゴム片をベースとなる硬質ゴムプレートに配置した試験片を作製し,現有の直動往復すべり摩擦試験システムを用いて,油で濡らした平滑なステンレス板に対する摩擦係数を明らかにした.ゴム片の幅(3mm),長さ(25mm),ゴム片の間隔(2mm)は一定として,厚さを1mm5mmに1mmずつ変化させて実験を行った.また,ゴム片の長手方向とすべり方向のなす角度(すべり角度)を0°90°に変化させて実験を行った.その結果,静摩擦係数,動摩擦係数ともに,ゴム片の厚さの増加,すべり角度の増加に伴い減少する傾向を示した.また,ゴム片の厚さが2mm,すべり角度が0°の場合に最も高い静摩擦係数(1.39±0.08),動摩擦係数(1.18±0.08)を示すことが分かった.

ゴム片の厚さの減少と,すべり角度の減少は,ゴムブロック端部のたわみ(摩擦トルクに起因するブロック後端部の剥離)を減少させ,その結果相手面との接触面積が確保されることが,ガラス板を相手材料とした摩擦試験,接触面観察によって明らかになった.これらの結果は,油で濡れた路面に対して高摩擦を示す,靴底トレッドの形状及び配置に関する設計指針となり,有用な結果である.平成29年度では当初計画通り,油潤滑下において高摩擦を示すブロック片の形状やすべり方向に対する向きを明らかにすることが出来た.得られた摩擦係数の値は,平成28年度に得られたすべりにくい歩行を実現するために靴底/床面に求められる摩擦係数の値(>0.4)をはるかに上回る値である,平成30年度に行う研究により歩行中に靴底接地面内の接線力ベクトル分布が明らかになれば,どの位置にどの向きに矩形のゴムロックを配置すればよいかが分かり,本研究の目的である油で濡れた床面でも優れた耐滑性を示す靴底の開発につながると期待される.以上のことから,当初の目標に対して順調に進展しているといえる.本研究の目的は,以下の3点を行うことである.1.歩行中の靴底と床面間の接線力係数に基づいて,すべりの発生及び転倒防止に必要な靴底/床面間の静摩擦係数・動摩擦係数を解明する.2.靴底と床面間の必要摩擦係数と歩行動作の関係から,すべりにくい歩行動作を解明する.3.油で濡れた床面において,すべりが発生しにくく,転倒防止性に優れる超耐滑シューズを開発する.平成30年度では,小型3軸力覚センサを靴底に搭載したセンサシューズを開発し,直線歩行中に靴底面内に作用する垂直方向,水平方向の床反力ベクトル分布を明らかにした.さらに,垂直方向,水平方向の床反力の比から接線力係数及び各センサ位置での接線力係数の最大値である必要摩擦係数の靴底面内分布を明らかにした.その結果,必要摩擦係数は0.4以上の値を超える箇所が多く,また,かかと外足部,つま先部では0.6以上の値となることが分かった.これはフォースプレートを用いた床反力計測から求められる必要摩擦係数よりも大きな値であり,このことから,靴底接地面内の局所的な滑りを抑制するためには,0.6以上の高い摩擦係数を示す意匠設計が必要であることが示された.さらに,接地面内における局所的な床反力ベクトルから,特にかかと外側部では側方外側に接線力が生じることが示された.これらの知見(靴底接地面において高摩擦が必要な箇所及びすべりの方向の解明)に基づいて,平成29年に明らかにされた耐滑性に優れる靴底トレッドを用いることで,油で濡れた床面においてもすべりが生じにくく,転倒防止性に優れる超耐滑性シューズの開発が可能となった.平成29年度では,矩形のゴムブロックの厚さ,硬度を変化させたブロック試験片を作製し,ゴム片の長手方向とすべり方向のなす角度α°を,090°に変化させて油潤滑下におけるすべり摩擦試験を行い,平成28年度で明らかとなった静摩擦係数,動摩擦係数の基準値(0.4)以上の値を示す矩形ゴムブロック形状を明らかにする.さらに,ガラス板を用いた接触面観察により,矩形ゴムブロックの形状と接触面積の関係を明らかにするとともに,摩擦トルクに起因するゴムの変形に着目し,油潤滑下において高摩擦を示すゴムブロックパターンの設計指針を明らかにする.平成30年度では,小型3軸力覚センサを靴底に搭載したセンサシューズを作製し,歩行中に靴底接地面面内に作用する垂直力及び接線力ベクトル分布を明らかにする.この接線力の作用方向に基づいて,平成29年度に明らかにされた高摩擦ゴムブロックを靴底に配置したシューズを作製する.開発されたシューズの耐滑性を歩行実験を通して実証する.
次世代シークエンサーによるMRD検出法に基づくPOEMS症候群の治療戦略の確立

POEMS症候群は多発神経障害等の多彩な症状を呈する形質細胞腫瘍関連疾患であるが、その病態は十分に解明されていない。モノクローナル形質細胞の免疫グロブリン軽鎖(IGL)V領域はIGLV1-44もしくは1-40のみの二つのgermlineに集約されることが示されており、POEMS患者骨髄genomic cDNAを用い、IGLVのgene rearrangementについてNGSにて解析を行った。この結果、上記dominant typeのcolneを検出し、このclone sizeをモニタリングすることで疾患statusと良好に関連しMRDとして使用可能であることを見出し、次期臨床試験を計画する。目的:POEMS症候群は形質細胞増殖症(plasma cell dyscrasia)を基盤として、高VEGF血症と特定のモノクローナルλ鎖Mタンパクを伴い、多彩な全身症状を呈する予後不良な疾患であるが、わずかに存在する形質細胞がその疾患発症の鍵を握り、多発性骨髄腫に準じた自家末梢血幹細胞移植、サリドマイドなどの新規薬剤を用いた治療により、ADL、生存期間を改善しうることが示されてきた。しかしPOEMS症候群の発症機構は不明な点が多く、その治療においても移植後の再発・再燃が問題となることも明らかとなってきた。本研究では、自家移植後に次世代シークエンサーを用いた微小残存病変(MRD)の評価に基づいた地固め・維持療法の有用性を検討し、治療方針決定の妥当性、予後を解析することで、POMES症候群に対する新たな治療体系を確立することを目的とする。平成27年度:過去に当科にて施行した移植症例26例の治療前の骨髄細胞保存検体、もしくは骨髄生検標本からDNAを抽出して、次世代シークエンサーによるλ鎖遺伝子の検出を行った。方法は、免疫グロブリンλ鎖各Vλサブクラスに対するdegenerative primerと共通領域に対するconsensus primerを用いて、λ鎖CDR領域をPCR法にて増幅し、次世代シークエンサーにて網羅的に解析することで、疾患特異的であるIGLV1-40またはIGLV1-44 germlineに由来するクローンを検出した。同様に自家移植後、再発後、再発治療後検体を用いて継時的にMRDの検討を行っている。現在さらに検討症例数を増やして検討中であり、臨床情報を加味し解析を継続している。研究計画に従い、概ね順調に経過している。POEMS症例患者数は順調に蓄積されており、検討検体も増えており、次世代シークエンサーにて網羅的に解析を行い、さらに臨床情報とともに解析を進めている。平成28年度:当科において移植を行ったPOEMS症候群の患者30例の治療前の治療前骨髄細胞保存検体からDNAを抽出し、次世代シークエンサーによるλ鎖遺伝子の検出を行った。免疫グロブリンλ鎖Vλサブクラスに対するdegenerative primerと共通領域に対すconsensus primerを用いて、λ鎖CDR領域をPCR法にて増幅し、次世代シークエンサーにて網羅的に解析を行い疾患特異的であるIGLV1-40またはIGLV1-44 germlineに由来するクローンを抽出した。同様に自家移植後、再発後、再発治療後検体を用いて経時的にMRDの検討を継続している。POEMS症候群症例数を30例まで増やし、次世代シークエンサーにて解析を行い、臨床データとの関連性を明らかとした。POEMS症候群は形質細胞増殖症(plasma cell dyscrasia)を基盤として、高VEGF血症とモノクローナルλ鎖M蛋白を伴い、多彩な全身症状を呈する予後不良な疾患であるが、わずかに存在する形質細胞がその疾患発症の鍵を握り、多発性骨髄腫に準じた自家末梢血幹細胞移植、サリドマイドなどの新規薬剤を用いた治療戦略が予後改善に有効であることが示されてきた。しかし、POEMS症候群の発症機序には不明点が多く、その治療においても移植後の再発・再燃が問題となることも明らかとなってきた。本研究では、自家移植後に次世代シークエンサーを用いた微小残存病変(MRD)の評価に基づいた治療方針決定の妥当性、予後を解析することで、POEMS症候群に対する新たな治療体系を確立することを目的として行った。当院において自家末梢血幹細胞移植を行ったPOEMS症候群患者30名の治療前の骨髄細胞保存検体よりDNAを抽出し、次世代シークエンサーによるλ鎖遺伝子の検出を行った。免疫グロブリンλ鎖Vλサブクラスに対するdegenerative primerと共通領域に対するconsensus primerを用いて、λ鎖CDR領域をPCR法にて増幅し、次世代シークエンサーにて網羅的解析を行った。

これにより疾患特異的であるIGLV1-40, IGLV1-44 germlineに由来するクローンを抽出した。自家移植後、再発後、再発治療後検体を用いて経時的なMRDの検討を行い、これらの疾患特異的クローンが病状を鋭敏に反映することが明らかとなった。POEMS症候群は多発神経障害等の多彩な症状を呈する形質細胞腫瘍関連疾患であるが、その病態は十分に解明されていない。モノクローナル形質細胞の免疫グロブリン軽鎖(IGL)V領域はIGLV1-44もしくは1-40のみの二つのgermlineに集約されることが示されており、POEMS患者骨髄genomic cDNAを用い、IGLVのgene rearrangementについてNGSにて解析を行った。この結果、上記dominant typeのcolneを検出し、このclone sizeをモニタリングすることで疾患statusと良好に関連しMRDとして使用可能であることを見出し、次期臨床試験を計画する。今後さらに、現在までに検出された疾患特異的IGLV1-40またはIGLV1-44 germlineに由来するクローンと、病勢に係る因子の抽出、関連性を検討する。ここまでの検討にて、同一患者の初発時、治療後、再発時の検体についてIGLV geneのクロナリティの増減は血清VEGFとある程度相関していることが示唆される興味深い結果を得ている。これらがPOEMS症候群の病因、臨床経過、予後と関わるものか、今後検討を進める予定である。今後は、現在までに検出された疾患特異的IGLV1-40またはIGLV1-44 germlineに由来するクローンと病勢に係る因子の抽出、関連性を経時的に検討する。同一患者の初発時、再発時の検討において、IGLV germlineのクロナリティの増減は血清VEGF値ともある程度相関を示すという結果が示されており、今後さらに、結果を基にした治療介入の適否、予後との関連性を検討し、論文化を進める。血液
超高速高並列計算機の並列処理過程とユーザとのマン・マシンインタフェースの研究

本研究経費と他の経費を合わせて16台のプロセッサを持つ並列計算機を構成し、以下のような計算の途中経過や最終的な計算結果の表示を行ない、表示の見やすさなどを評価した。表示には、並列計算機のインタフェース部から直接パソコンを用いた表示装置に表示する方法とネットワークを通してワークステーションやXウインドウ端末に表示する方法を両方行なった。・境界要素法による2次元弾性問題、ポテンシャル問題の計算・2次元翼まわりの流れの計算・非圧縮(熱)流体の時間発展シミュレーション・2次元部品配置問題・QCDシミュレーション・各種統計処理(平均、分散、ヒストグラム、相関、重回帰分析など)・SOR-境界要素法複合アルゴリズムによるポアソン方程式の求解・粒子衝突のシミュレーション計算の途中結果を表示することにより並列処理プログラムのデバッグが容易になった。ネットワークを通したXウインドウへの表示は多量のデータは送れないが、並列計算機から離れたところに居る計算者に充分有効である。統計計算の計算結果の3次元出力は、見たい変数のユーザによる選択や視点を変えた結果の確認を可能にしたほか、複数の変数に関する処理結果を重ね合わせて見ることができたり複数の変数間での相関関係が分かるなどの効果が見られた。可視化処理を並列化したときのデータの通信パターンやデータ通信量の比較・検討から、画像生成の並列化だけでなくユーザが必要とする情報の抽出などの並列化もしないと通信やホスト計算機がボトルネックになることが分かった。QCD計算の可視化に対応するため、ボクセルデータのレンダリングの並列処理プログラムも開発したが、まだメモリの不足などのため十分な表示が行なえていない。今後、アルゴリズムの改良により実用的な可視化を行ないたい。1.並列計算機QCDPAXの筐体とインタフェースは他の経費で購入しプリンタとカセット磁気テープ装置を購入した。これらすべては本研究にも他の研究にも有効に活用された。2.現有設備のワークステーションにQCDPAXのインタフェースボードと筐体を接続し、現有設備の並列計算機の演算ボードのうち予備のものを筐体に入れ、16台のプロセッサを持つ1つの並列計算システムを構成した。このシステムは学内LANに接続し、研究代表者、分担者がXウィンドウ環境を通じてこの並列計算機を使用できるように設定した。3.現有設備の並列計算機と本研究で構成した並列計算機上で開発した並列処理プログラムについて次の表示を画像で行なえるようにした。(a)境界要素法による2次元弾性問題、ポテンシャル問題の結果をXウインドウで表示(b)2次元翼まわりの流れの計算結果をXウインドウには流線で、640×400ドット1670万色の表示が可能なマイクロコンピュータのディスプレィにはカラー図形で表示(c)非圧縮性流体の時間発展シミュレーションをステップ毎に小ベクトル表現でXウインドウに表示(d)2次元部品配置問題の配置改善の様子のXウインドウへの表示4.ノード記述言語で書いたプログラムを、QCDPAXのプログラムや普通のワークステーション上で並列処理をエミュレーションするプログラムに翻訳するプログラムDMSTEGを開発した。このプログラムは上記の表示や並列処理のプログラム開発に実際に役立った。5.レイトレーシングは各ノード内の処理をベクトル化する予定であったがうまくいっていない。現状では表示に時間がかかりすぎる。今後、プログラムの高速化を方式から考えて直してみるが、より多くのプロセッサを使用する必要が生じるかもしれない。本年度は、16台のプロセッサを持つ並列計算機QCDPAXで以下のような計算やその途中経過や最終的な計算結果の表示を行ない、表元の見やすさなどを評価した。・QCDシミュレーション・非圧縮熱流体の時間発展シミュレーションとカラーによる温度と流線による流速の随時表示・各種統計処理(平均、分散、ヒストグラム、相関、重回帰分析など)

・SOR-境界要素法複合アルゴリズムによるポアソン方程式の求解・配置問題・粒子衝突のシミュレーション表示には、並列計算機のインタフェース部から直接パソコンを用いた表示装置に表示する方法とネットワークを通してワークステーションやXウインドウ端末に、XlibやPHIGSのライブラリを用いて表示する方法を両方行なった。X-Windowベースのグラフィックス・ライブラリを用いると、並列計算機から離れたところに居る計算者の傍らですぐさま計算の途中経過や最終的な結果を確認できる。また、統計計算の計算結果をグラフィックワークステーションの標準ライブラリであるPHIGSのグラフィックス・ライブラリを用いて記述することによって結果を3次元で出力させた。これによって、見たい変数をユーザが選択的に入力できるようになったり、視点を変えて結果を確認できるようになったほか、複数の変数に関する処理結果を重ね合わせて見ることができたり、複数の変数間での相関関係が分かることなどの効果が見られた。また、それらの可視化処理をQCDPAXなどで並列処理させたときの、データの通信パターンやそこで必要となるデータ通信量などの比較・検討においてPU-ホスト間通信のみを行なえば良い例では、通信回数が少なくてもPU台数が増えるとホスト計算機がボトルネックになり易いと思われる。QCD計算の可視化に対応するため、ボクセルデータのレンダリングの並列処理プログラムも開発したが、まだメモリの不足などのため十分な表示が行なえていない。これは、今後メモリ素子の低価格化にも期待できるが、アルゴリズムの改良により実用的な可視化を行ないたい。
認知症高齢者のBPSDの発症頻度・程度と「つながり感」との関連性

認知症を持つ高齢者の「つながり感」とBPSDとの関連を明らかにした。【看護師・医師】【他患】に対してつながりを感じていた。BPSDに関連した【取り繕い】や【シャドーイング】によるつながり感があり、患者自身はつながりを持とうとしていると考えられるが、BPSDの症状といわれているものであった。また、【TV】に対して関心を示しており、物に対する興味や執着が考えられた。また【拝む】からは習慣としている動作なのか、BPSDによる幻覚なのかは判断することができなかった。つながり感はその動作から関心の程度があることが分かった。まず、医学系やその他の文献検索エンジンを用いて、認知症高齢者やBPSDに関する文献を検索して、そめ中でつながり感やBPSDの評価尺度を探し、文献検討を行った。先行研寫から認知症高齢者のBPSDの評価尺度が見つかり、使用の可能性を検討中である。また、学会参加によって情報を収集し、認知症高齢者やBPSDに関する最近の知見を得た。ディスカッションを行い、調査施設や対象者の選定に関する教示を得た。研究計画の作成にあたり、高齢者看護に精通する研究者のスーパーバイズを受けた。今後倫理委員会め審査や臨地調査が必要であるため、今後も継続してスーバーバイズを受ける予定である。次に、参加観察法を用いて調査を行うために、調晒方法・対象者・場所の具体的な設定の調整を病院関係者や施設と行った。病院や施設において、対象者への倫理的配慮やデータの取り扱いについて示唆を得た。さらに病院では、プレテストにより参加観察の視点および手法の確認を行い、内容について再検討を行う予定である。今後、臨地調査を行い、つながり感に関するデータを収集し、質的・帰納的分析を行う予定である。得られたデータからつながり感の観察可能なデータのカテゴリ化を行う。さらに、つながり感の評価の可能性を検討するツールとしてBPSD評価尺度を併用し、つながり感とBPSDの相関を見る予定である。本年度は倫理委員会の承認を得て病院および施設での調査を行った。対象者2名を施設から紹介を受け、参加観察法を用いて対象者の1日の生活を記録した。倫理的配慮から調査時間は8:0017:00の間とし、プライベートな時間の観察は行わないようにした。得られたデータから対象者の「つながり感」のある言動とない言動を抽出し、いつ・誰と・何と・どこで・どのような「つながり感」を感じているのかカテゴリ化している。データ分析に際して高齢者看護に精通する研究者のスーパーバイズを受けている。同時に、昨年度から引き続き行っている文献検討から、認知症高齢者のBPSDに関する評価尺度と調査によって得られた結果との比較を行う予定である。本年度得られた結果は、学会での発表および学会誌への投稿を行うように準備している。また、得られたデータからつながり感の観察可能な項目を作成し、再評価とカテゴリの洗練化を行う。今後、つながり感の評価の可能性を検討するツールとしてBPSD評価尺度を併用し、つながり感とBPSDの相関を見る予定である。さらに、「つながり感」の持てる看護介入と高齢者医療介護福祉サービスの提案を行う.認知症高齢者のBPSDと「つながり感」との関係を明らかにする。
渦巻き残効の研究

回転する渦巻き図形を長時間観察した後で静止図形を観察すると,渦巻きの巻きの方向や回転方向などによって拡大したり縮小して見え,さらに回転して見える.様々な視覚運動パターンを使って,拡大縮小残効と回転残効の両面からこの現象を探ったところ,回転残効が小さく(大きく)なる条件で拡大縮小残効が大きく(小さく)なることなどが明らかになった。渦巻き図形を回転させると渦巻きが巻く方向や回転方向などにより、渦巻きが拡大したり縮小して見える。このような回転する渦巻き図形をしばらく観察した後で静止図形を観察すると、その図形は順応時とは逆の方向に運動して見える(例えば、拡大して見える渦巻き図形に順応すると静止図形が縮小して見える)。このような現象を渦巻き残効というが、ここで用いる順応刺激は、回転刺激なので、回転残効も生じているはずである。そこで、今年度は、順応刺激として等距離螺旋と等角螺旋の2種類の螺旋図形を用い、螺旋の種類によって拡大縮小残効と回転残効の生じ方に違いがあるのかを検討した。等角螺旋は、中心から周辺にかけて線の勾配が一貫して急なため、こちらの方が拡大縮小残効が大きいのではないかと予想した。一方、等距離螺旋は、むしろ回転残効が強く出るのではないかと予想した。まず、拡大縮小残効の測定を行った。順応刺激は等距離螺旋と等角螺旋。順応刺激の回転速度は速い条件と遅い条件の2条件。検査刺激は、正弦波状に輝度を変調した運動同心円格子で、順応刺激を観察した後で検査刺激を観察し、検査刺激が主観的に静止して見える速度を求め、これを残効量とした。結果は、予測に反して、等距離螺旋の方が拡大縮小の効果が大きかった。次に、回転残効の測定を行った。順応刺激条件は拡大縮小残効の時と同じであった。検査刺激は、ガウスフィルターをかけた十字図形で、右回りもしくは左回りに0.25度/秒ステップで回転した。順応後に検査刺激を観察し、検査刺激が主観的に静止して見える回転速度をもって回転残効量とした。結果は、順応刺激の回転速度が遅い場合は、螺旋の種類の効果はなく、速い場合には、等距離螺旋の方が大きな残効量であった。これらの結果は、拡大縮小残効と回転運動残効に寄与する視覚系のメカニズムが異なることを示唆するものであった。渦巻き図形を回転させると渦巻きが巻く方向や回転方向なとにより、渦巻きが拡大したり縮小したりして見える。今年度は、視野の上下4か所に運動縞を提示し、運動縞の方位を組織的に変えることで、回転する渦巻き図形と同様の運動刺激を作成し、それを順応刺激として、その順応刺激に順応した後の奥行き運動残効と回転運動残効を測定し、奥行き運動残効に関与する視覚系のメカニズムと回転運動残効に関与する視覚系のメカニズムとの間の関係について探った。実験の結果、4つの運動縞が視野の中心に向かって運動する場合は拡大残効が生じ、逆に、4つの運動縞が視野の周辺に向かって運動する場合は縮小残効が生じた。拡大残効と縮小残効では、前者の方があきらかに残効量が大きかった。また、運動縞の方位が、それらの中間の角度を取る場合には、その角度に応じて拡大縮小残効と回転運動残効が生じた。回転運動残効については、奥行き運動残効があまり生じない角度条件の時に大きな回転残効が得られる傾向があった。また、2つ目の実験として、等角螺旋と等距離螺旋を順応刺激として、同様の実験を行い、螺旋の種類の違いが、奥行き運動残効と回転運動残効に及ぼす効果の違いについて検討した。結果は、拡大縮小残効に関しては、螺旋の違いの効果が見られたが、回転運動残効に関しては、二つの順応刺激の間に差は見られなかった。このことから、奥行き運動残効と回転運動残効とは互いに抑制的な関係もしくは別のメカニズムが寄与していることが示唆された。様々な方位に傾いた運動縞を組み合わせることにより,渦巻き残効と同様の運動残効を生じさせ,そのような運動パタンによって生じる奥行き運動残効と回転運動残効を調べた.

特に,奥行き運動残効に関しては,運動に伴って格子のコントラストが増加する場合と減少する場合とで,残効量に違いが生じるかどうかを調べた.視野の上下左右に4つの運動格子を呈示し,運動格子の運動方向を4つの運動格子が内向きに運動する条件から外向きに運動する条件の5条件を用意し,それらに順応した後の運動残効を測定した.結果,奥行き運動残効については,順応刺激の運動方向が外向きのもののうち,15°,45°は内向きの残効が生じたが,順応刺激の運動方向が75°のときには,外向きであるにもかかわらず拡大残効が生じた.しかし,コントラストの増減の効果は見られなかった.また,奥行き運動残効が生じにくくなる条件では回転運動残効が強くなり,逆に,回転運動残効が生じにくくなる条件では奥行き運動残効が強くなる傾向が観察された.また,上下左右と斜め方向の8つの運動格子を順応刺激とする実験も行った.上下左右の4つと斜め方向の4つの運動縞の空間周波数を2条件,上下左右の4つの運動縞の運動方向2条件,斜め方向の運動縞の運動方向を2条件とした.結果,拡大残効の方が縮小残効よりも大きな効果があった.また,上下左右と斜め方向の運動縞の運動方向が一致したときに,より大きな残効が得られた.しかし,空間周波数の効果は見られなかった.最後に,運動縞ではなく,放射運動をするドットの識別閾を測定した.被験者は,車椅子に乗り,放射運動に調和して車椅子を前後させる条件と,逆方向に前後させる条件の二通りで閾値の測定を行った.結果,放射運動検出閾は一致条件よりも不一致条件において有意に低いことがわかった.
病棟保育士の専門性の特定と新しい病棟保育士養成カリキュラムの開発

本研究の目的は、病棟保育士の専門性を特定するとともに、その専門性を基軸とした新しい病棟保育士養成カリキュラムを開発することである。平成30年度は、病棟保育士の専門性に関する「量的仮説モデル」の生成を行うこととした。最初に、研究者の論文から病棟保育士の実践報告までを含めた約50本の先行研究から「病棟保育士の専門性に関する項目」を抽出した。その後、予備調査を行うことを通して、46項目からなるアンケート項目を作成した。最終的には、所属大学の倫理委員会の審査・承認を経て、アンケート発送の準備段階まで進めることができた。また、前述のアンケート項目の選定と今後のカリキュラム開発のために、計5回の学会発表、研究会参加および情報収集を行った。その中で、病棟保育士の専門性が大項目4つ(医療の知識・入院児への保育・保護者支援・他職種連携)と小項目8つ(発達支援・生活援助・受容共感・社会的責任・関係構築・環境構成計画・医療的知識技術・他職種連携)に分けることができる可能性があること分かった。他にも、在宅医療の進展に伴い、医療的ケア児等を中心とした入院児の退院(在宅医療)を見据えた保育士の関わりがいかにあるべきか、これからの病棟保育士の専門性やその養成カリキュラムに問われていることが明らかとなった。特に後者は、平成30年12月に成育基本法が制定したことが大きな影響しているため、新しい法律に沿ったこれからの施策に着目し、入院児を取り巻く環境の変化を捉え、それらに対応できる養成カリキュラムの開発を行う必要があることが明らかとなった。平成30年度は、病棟保育士の専門性に関する「量的仮説モデル」の生成するところまで進む予定であったが、アンケート作成(主としてアンケート項目の選定)において、本研究に大きな影響を与えると考えられる成育基本法が平成30年12月に可決成立し、その内容を吟味し、熟考を重ねてアンケート項目を選定したため、所属大学の倫理委員会への提出が遅くなったことが理由である。今後は、平成31年度(令和元年度)の上半期内で、病棟保育士の専門性に関するアンケート調査を実施し、分析した結果をもとに「量的仮説モデル」を生成する。また、下半期内で、当初予定している「5年以上の勤務経験のある病棟保育士約10名」へのインタビュー調査を行い、「質的生成モデル」を作成する。年度末には「量的生成モデル」「質的生成モデル」を相互に検証し、複数の病棟保育士にも確認を進めながら、病棟保育士の専門性の特定を行う。平成30年度内に実施予定のアンケート調査の実施を、先述の理由から、平成31年(令和元年)度に変更したため、アンケートの郵送代分(約45万円)が次年度使用額として生じた。

平成31年(令和元年)度以降は、先述のアンケートの郵送費(約45万円)の執行と、約10名の病棟保育士へのインタビュー調査の旅費及び学会出張経費(約50万円)、関連図書等の設備備品費(約20万円)、インタビューデータ入力等の人件費・謝金(約30万円)等を本研究にかかる経費として使用していく予定である。
ヒトIgA腎症惹起抗原を用いた新しいIgA腎症モデルの構築

(a)BALB/Cmouseでは周齢が高くなるにつれ、糸球体メサンギウムにIgG, IgA, C3抗体、ならびにS.aureus抗原の沈着が増加した.(b)産生された抗体をヒトHGGでprotein Aで吸収した膜抗原をcoateしたELISA法で測定したところ、対照群に比して有意に抗S.aureus抗体(IgGおよびIgA)の上昇をみた.(c)光顕では軽度中等度のメサンギウム増殖性腎炎が発症した.(d)一方対照群のB/6群では軽度の免疫グロブリンの沈着を認めるも、S.aureus抗原の局在は認めなかった.(e)BALB/c mouse群では対照群に比して、有意に多量の蛋白尿を認めた.(2)抗S.aureusに対するmouse monoclonal antibodyの作成:PG法によりBALB/Cの脾細胞とNS1とhybridomaを作成し、モノクローナル抗体を得た.この抗体を用いて、ヒトIgA腎症患者の組織中のS.aureus抗原を確認すると同時に、S.aureus菌体成分に対するwestern blotを行い、34kDaのバンドと反応することを確認した.(3)抗S.aureus抗体を用いて、免疫沈降法で得られた抗原のアミノ酸配列を検討し、S.aureus膜成分の一部であることを確認した.以上の結果から、S.aureus膜抗原を用いたmouse IgA腎症類似病変の惹起には、Th2 typeの免疫遺伝学的背景を有することが重要である。今後IgAへのクラススイッチ機序、大腸菌に発現させた抗原を用いた抗原を用いた動物実験等を検討する予定である.(a)BALB/Cmouseでは周齢が高くなるにつれ、糸球体メサンギウムにIgG, IgA, C3抗体、ならびにS.aureus抗原の沈着が増加した.(b)産生された抗体をヒトHGGでprotein Aで吸収した膜抗原をcoateしたELISA法で測定したところ、対照群に比して有意に抗S.aureus抗体(IgGおよびIgA)の上昇をみた.(c)光顕では軽度中等度のメサンギウム増殖性腎炎が発症した.(d)一方対照群のB/6群では軽度の免疫グロブリンの沈着を認めるも、S.aureus抗原の局在は認めなかった.(e)BALB/c mouse群では対照群に比して、有意に多量の蛋白尿を認めた.(2)抗S.aureusに対するmouse monoclonal antibodyの作成:PG法によりBALB/Cの脾細胞とNS1とhybridomaを作成し、モノクローナル抗体を得た.この抗体を用いて、ヒトIgA腎症患者の組織中のS.aureus抗原を確認すると同時に、S.aureus菌体成分に対するwestern blotを行い、34kDaのバンドと反応することを確認した.(3)抗S.aureus抗体を用いて、免疫沈降法で得られた抗原のアミノ酸配列を検討し、S.aureus膜成分の一部であることを確認した.以上の結果から、S.aureus膜抗原を用いたmouse IgA腎症類似病変の惹起には、Th2 typeの免疫遺伝学的背景を有することが重要である。今後IgAへのクラススイッチ機序、大腸菌に発現させた抗原を用いた抗原を用いた動物実験等を検討する予定である.(2)抗Staphylococcus aureusに対するmouse monoclonal antibodyの作成:PG法によりBALB/Cの脾細胞とNS1とhybridomaを作成し、モノクローナル抗体を得た.この抗体を用いて、ヒトIgA腎症患者の組織中のStaphylococcus aureus抗原を確認すると同時に、Staphylococcus aureus菌体成分に対するwestern blotを行い、35kDのバンドと反応することを確認した.(a)BALB/Cmouseでは周齢が高くなるにつれ、糸球体メサンギウムにIgG, IgA, C3抗体、ならびにS. aureus抗原の沈着が増加した.(b)産生された抗体をヒトHGGでProteinで吸収した膜抗原をcoateしたELISA法で測定したところ、対照群に比して有意に抗S. aureus抗体(IgGおよびIgA)の上昇をみた.(c)光顕では軽度中等度のメサンギウム増殖性腎炎が発症した.(d)一方対照群のB/6群では軽度の免疫グロブリンの沈着を認めるも、S. aureus抗原の局在は認めなかった.(e)BALB/c mouse群では対照群に比して、有意に多量の蛋白尿を認めた.(2)抗S. aureusに対するmouse monoclonal antibodyの作成:PG法によりBALB/Cの脾細胞とNS1とhybridomaを作成し、モノクローナル抗体を得た.この抗体を用いて、ヒトIgA腎症患者の組織中のS. aureus抗原を確認すると同時に、S. aureus菌体成分に対するwestern blotを行い、34kDaのバンドと反応することを確認した.(3)抗S. aureus抗体を用いて、免疫沈降法で得られた抗原のアミノ酸配列を検討し、S. aureus膜成分の一部であることを確認した.以上の結果から、S. aureus膜抗原を用いたmouse IgA腎症類似病変の惹起には、Th 2 typeの免疫遺伝学的背景を有することが重要である.今後IgAへのクラススイッチ機序、大腸菌に発現させた抗原を用いた抗原を用いた動物実験等を検討する予定である.
Cell Exerciseにおける力学的最適化

H27年度の研究計画は,(1)“Cell Exercise"の基礎実験及び得られた筋芽細胞組織の基本的評価が遂行できるための実験設備を構築,(2)細胞組織の力学特性評価,(3)遺伝子発現計測及び評価の3項目がある.(1)については,細胞培養インキュベータ,二酸化炭素センサ,加湿チャンバー,を用いて可視化機能,周期圧力印加パラメータ調整機能を有する“Cell Exercise"実験装置を研究開発することを目指し,装置の全体構成について検討した.(2)については,筋芽細胞組織表面から深さ300nmオーダまでの硬さに着目するミクロ特性と細胞組織を両方向から摘まんで引っ張ったときの力・変位特性から組織全体としての“弾性特性"を評価するマクロ特性に分けて評価する予定である.このうちミクロ特性の計測方法について検討した.(3)培養後の筋芽細胞組織の遺伝子発現について,リアルタイムPCRを用いて計測する予定である.この点については横浜市立大学でリアルタイムPCRのとり扱い方法が検討された.27年度が最終年度であるため、記入しない。27年度が最終年度であるため、記入しない。
甲状腺形成プロセスに関する分子形態学的研究-濾胞形成遺伝子の探索-

まず、魚類における散在性甲状腺の分布をメダカ成魚を用いて形態学的に解析した。ニワトリチログロブリン抗体を用いた免疫組織学的染色などにより、甲状腺濾胞は腹大動脈、動脈球、心臓の背側の間充織中に比較的高密度で分布すること、さらに、甲状腺濾胞は心臓背側から側方後背部にわたっても分布し、横から見ると鰓蓋の後端に沿う様に弓状に散在していることを確認した。次に、魚類甲状腺cDNAライブラリーを作成するため、大型のシロサケとニジマスを用いて甲状腺濾胞のみの採取を試みたが、散在する甲状腺濾胞をcDNAライブラリーを作成するのに十分量採取するのは困難であることが判明した。そこで、甲状腺濾胞を腹大動脈と共に採取してcDNAライブラリーを作成することとした。クローニングの結果、甲状腺に特異的な遺伝子の転写に必須な甲状腺転写因子Nkx2.1のcDNAが3種類(a, b, c)得られた。これらのNkx2.1には特徴的なホメオドメイン、TNドメイン、NK2ドメインが保存されていた。アミノ酸配列の相同性は得られた3種類のNkx2.1の間では74.0%から89.0%であった。In situ RT-PCR法により細胞レベルでのNkx2.1 mRNAの局在を調べると、甲状腺の濾胞上皮細胞にシグナルが検出された。さらにRT-PCR法によりニジマスにおける組織分布を調べると、甲状腺以外にも、濾胞様の構造をとる下垂体、鰓後腺、生殖腺等でNkx2.1 mRNAの発現が検出された。Nkx2.1は濾胞形成に関与している可能性があり、より詳細な研究が必要である。クローニングの結果、甲状腺に特異的な遺伝子の転写に必須な甲状腺転写因子-1(Thyroid transcription factor-1;TTF-1)の配列をニジマスで部分的に決定した。TTF-1(Nkx2.1)はNkxファミリーに属するので、他のメンバーとの相同性を検索したところ、アフリカツメガエルのNkx2.1、Nkx2.4とそれぞれ61%、71%の類似性、マウスのNkx2.1、Nkx2.4とそれぞれ79%、74%の類似性を示した。配列の相同性からは得られた配列がNkx2.1かNkx2.4かを判断しかねたが、Nkx2.4は甲状腺においては発現していないとされているので、ニジマス甲状腺cDNAより得られたこの配列はTTF-1として機能していると考えている。
膜タンパク質の精密分子動力学計算のための高速計算法の開発と評価

生体分子系に対する分子動力学計算の最大の問題点は、クーロン力の計算に膨大な時間が必要なことである。そのため、高速多重極法(FMM)や粒子メッシュEwald(PME)などの高速アルゴリズムが用いられるが、生体膜-膜タンパク質などの計算に一般のPMEや周期FMMを用いると、膜の規則的積み重ねに起因するアーチファクトが危惧される。以上のような背景の下に、本研究では、我々の開発したセルの階層性を利用する周期FMMの擬二次元周期系への適用を計画した。その結果、まず、中核的な変換操作である多重極-局所展開変換が、ビリアルに対して、変換行列の格子依存性と多重極展開の格子依存性から二種類の寄与を生じることを明かにした。後者はNaCl結晶などに生じないためこれまで見逃されていた。この寄与の求値のため、周期FMMの計算量はO(N)ではなくO(NlogN)となる。一方、基本セルの双極子がビリアルの計算精度に大きな影響を与えることも明かになったが、この影響を効率的に排除するための手法については今後の検討課題となっている。また、周期境界FMMにおいては、近傍セルとの相互作用についての計算が膨大となる。この部分の高速化のため、我々の開発した高速アルゴリズム/専用計算ボード併用方式をさらに発展させ、専用計算ボードを装着したPCのクラスタ計算システムを開発した。今後も、ビリアルの精密求値についての検討を継続し、高精度の周期FMMを完成させた上で、周期境界条件に起因するアーチファクトの排除に取り組む予定である。代謝酵素やトランスポータなど注目されるタンパク質は膜タンパク質であることが多い。そのような分子系に限らず、生体分子の分子動力学(MD)計算においては、静電相互作用を精密に取り扱うことが重要である。しかし、生体膜系での静電相互作用計算には、計算時間の面から、三次元周期型粒子メッシュEwald法を使うことが多い。この場合、膜面に垂直な方向への繰り返しに起因するアーチファクトが危惧される。本研究の目的は、精密・高速なMD計算のために、平面周期性を扱えるような静電相互作用求値のための高速多重極法(FMM)を開発することである。本年度は、生体膜のシミュレーションにおいて特に重要となる圧力制御のためのビリアル求値について検討した。すなわち、まず、一般の周期FMMにおけるビリアルの表式を導出した。それを、「周期性を扱うためにセルの階層性を利用するFMM」に組み込んだ。その際に得た最も重要な知見は、FMM一般において、多重極-局所展開変換がビリアルに対して二種の寄与を生じること、また、そのうち一方は、FMMの枠組みで扱えず、漸近計算量が増加しO(NlogN)となることである。これらの結果は、いずれも、これまで報告されていない。また、数値実験の結果からは、漸近計算量の増加にもかかわらず、現実の計算時間の増加は許容範囲内であること、また、問題点として、本手法によるビリアルの収束性には、単位セルの双極子が大きく影響することが明らかになった。今回は、仮想的な電荷を配置する方法で対処したが、今後、十分な検討が必要であると思われる。分子動力学(MD ; molecular dynamics)計算は、タンパク質をはじめとする生体分子系の構造と機能の解析のための理論的手法として期待されている。MD計算の最大の問題点は、クーロン力の計算に膨大な時間が必要なことである。本研究は、当初、この問題を解決するために、セルの階層性を利用する周期FMMを擬二次元周期系へ適用することを目的とした。しかしながら、擬二次元周期系への拡張の以前の問題として、現時点で報告されている三次元周期

FMMは、いずれの方式も、圧力制御に必要なビリアルの求値の方法に問題があることが判明した。本年度は、この点を中心に検討した。その結果、これまで見逃されていた多重極展開の格子依存性の寄与を見出し、精密な求値のための定式化に成功した。この寄与は、NaCl結晶などには生じないが、生体分子系では無視できないと思われる。現在、引き続き検証数値実験を行っている。そのほか、周期FMMでは、隣接イメージセルとの粒子-粒子相互作用の計算に多くの時間を要するため、この部分を専用計算ボードの並列クラスタで処理するためのソフトウェアシステムの開発・整備も行った。なお、擬二次元周期系では自由境界とする1軸方向の束縛方法が問題となるが、そのような問題を生じない反作用場型周期FMMも有望と考えている。生体膜のみならず、その他のタンパク質複合体においても、周期境界条件に起因するアーチファクトを排除することは重要であり、今後も、これら二法(特にビリアルの精密求値法)の開発研究を継続する予定である。