国立大学法人宇都宮大学 地域共生研究開発センターイノベーション創成部門 Creative Department for Innovation C D I 平成 26 年度活動成果報告書

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1 Creative Department for Innovation Progress Report 2014 国立大学法人宇都宮大学 地域共生研究開発センター イノベーション創成部門 Creative Department for Innovation

2 国立大学法人宇都宮大学 地域共生研究開発センターイノベーション創成部門 Creative Department for Innovation C D I 平成 26 年度活動成果報告書

3 巻頭言 新しいスタート 理事 ( 研究 産学連携担当 ) 副学長 池田宰 地域共生研究開発センターの新部門として イノベーション創成部門 (Creative Department for Innovation; CDI) が 2014 年 ( 平成 26 年 ) に設置され その記念すべき第 1 回目の成果報告書が刊行の運びとなりました 関係者の皆様に深く感謝申し上げます 1998 年 ( 平成 10 年 ) に発足したサテライト ベンチャー ビジネス ラボラトリー (SVBL) から地域共生研究開発センター大学院 VBL 部門を経て 現在まで 宇都宮大学における研究支援の大きな柱の一つとして活動してきておりましたが SVBL 発足時に注目されていたベンチャービジネスを重点対象とすることから これに限らず 広く 産業界のニーズに応えるイノベーション創出を主眼に CDI として事業展開を進めることといたしました これは 社会ニーズの変遷への対応とともに 限られた大学の予算や資源を 如何に有効に研究の推進と社会への貢献へ最大限の活用が可能か 御検討いただいた結果の改革です 先端研究 異分野融合研究 インキュベーションという 3 つのキーワードに基づく産学官金連携を見据えた新たな 25 の研究プロジェクトの支援を開始するとともに これまで進めてきた若手研究者の支援 外国人研究者の招聘などの事業も継続して進めております 本成果報告書は CDI 発足後 最初のもので御座いますが 皆様の御期待に沿える成果が記されていると存じます もちろん 実用化 真の製品開発などへの適応など 産学金連携研究への発展はこれからという段階のものも多いかもしれませんが 同じく地域共生研究開発センターには 産学連携 知的財産部門や URA 室が整備されており 活発に活動しております これらと連携することにより 今後 大きく展開されることと期待しております 新たな道を歩み始めた CDI ですが 宇都宮大学における産学金連携研究に資する大きな柱の一つとして 今後とも成果を積み上げていくことが期待されますので 忌憚のない御意見や御希望などを承りながら 今後とも 御支援の程 何卒 宜しくお願い申し上げます

4 目次 巻頭言 活動成果報告書発刊に際して 1. 概要 1.1 イノベーション創成部門設立の経緯と事業概要 組織図及び年間行事一覧 CDI 施設と大型研究設備 装置 中核的研究機関研究員 (CDI ポスドク ) 紹介 8 2. 平成 26 年度プロジェクト成果 2.1 CDI プロジェクト研究一覧表 プロジェクト S 研究成果報告 プロジェクト F 研究成果報告 平成 26 年度 CDI 研究助成制度 3.1 平成 26 年度中核的研究機関研究員 海外派遣動向調査若手研究者 ヤングスカラーリスト CDI ポスドク研究成果報告書 海外派遣動向調査若手研究者報告書 ヤングスカラーシップ研究成果報告書 ヤングスカラーシップ国際会議報告書 223

5 4. 平成 26 年度 CDI 活動 オープンキャンパス公開報告 全国 VBL フォーラム参加報告 CDI 講演会報告 非常勤研 ヤングスカラー研究成果報告会 その他活動の様子 編集後記 連絡先 249

6 活動成果報告書発刊に際して 地域共生研究開発センター長鈴木昇 日頃より宇都宮大学地域共生研究開発センター ( 以下, 地共センター ) へのご支援を賜り, 厚く御礼申し上げます 当地共センターイノベーション創成部門 (CDI 部門, Creative Department of Innovation) の初年度 ( 平成 26 年度 ) の活動成果報告書をお届けします CDI 部門は, 平成 10 年発足のサテライトベンチャービジネスラボラトリー (SVBL) が地共センターの大学院 VBL 部門となり, 平成 26 年 4 月に改組 設置された組織であり, 先端研究推進, 異分野融合研究推進, インキュベーション推進を目的としております 平成 10 年 SVBL 発足当初から多くのプロジェクトが走り始め, かつそれぞれのプロジェクトに対しての設備導入とともに, 研究 技術開発が活発に行われ, 多くの実績を挙げてきました CDI 部門としての初年度は, プロジェクト S( 部屋の提供 ) が 13 件, プロジェクト F( ファンド提供 ) が 12 件の計 25 件のプロジェクトが立ち上がり, それぞれのプロジェクトが鋭意活動してきております これらのプロジェクトが発展し, 宇都宮大学の特色ある機関として認められるべく, 今後も努力していきたいと考えております なお, 地共センター内に URA(University Research Administrator) 室 が同時に設置されました 外部資金獲得に対する支援を行う組織ですが,URA 室と協同することで, 技術開発の推進力がさらに増すことも期待しております また, 大学院学生への支援も継続して行っており, 博士前期 ( 修士 ) および博士後期課程の学生の研究グラントで 39 名, 国際会議奨励グラントで 13 名を採用しております さらには, ポスドクを 4 名採用しております CDI 部門活動への御協力に改めて感謝申し上げますとともに, 今後の飛躍に向けての御意見, 御支援を賜りますようお願い申し上げます

7 1. 概要 1.1 イノベーション創成部門設立の経緯と事業概要 1.2 組織図及び年間行事一覧 1.3 CDI 施設と大型研究設備 装置 1.4 中核的研究機関研究員 (CDI ポスドク ) 紹介 1

8 1.1 イノベーション創成部門設立の経緯と事業概要 イノベーション創成部門長高山善匡 地域共生研究開発センター大学院 VBL 部門は 1998 年にサテライトベンチャービジネスラボラトリー (SVBL) として設立され 2005 年に地域共生研究開発センターの大学院 VBL 部門となった その間 新しい産業の萌芽ともなるべき独創的, 創造的な研究開発を推進するとともに起業を目指す大学院生の創造性と自由な発想を涵養することを意図した活動がなされてきた しかしながら VBL を取り巻く状況は変化しており 全国の多くの大学で VBL の組織改革が進められてきている このような VBL の状況と宇都宮大学の教育研究の現状を勘案し 大学院 VBL 部門は 平成 26 年 4 月 1 日をもって 新部門 イノベーション創成部門 (Creative Department for Innovation; CDI) に改組された 以下 イノベーション創成部門設立の経緯と事業概要を述べる 大学院 VBL 部門のプロジェクト研究は 前身である SVBL が 1998 年 10 月に発足して以来 1999 年から5 年単位で進められた 第 1 期 (1999.4~2004.3)16プロジェクト 第 2 期 (2004.4~2009.3)19プロジェクト 第 3 期 (2009.4~2014.3) 28プロジェクトと当初の工学系に限定されたプロジェクトテーマから農学系も含めた多岐にわたる分野に拡大してきたと言える しかし 研究分野が広範に拡がりすぎる嫌いがあり 独創的, 創造的な研究開発を推進する上では 研究支援の集中が必要とされる状況にあった 一方 2008 年の大学院 VBL 部門外部評価において 一部の委員から ベンチャーだけでなく産業支援における大学の中核機関として位置づけて それに相応しい組織にするべきである 部門の業務の目的は大学全体の研究活性化を目指したものであり VBL の内容を逸脱している 研究活動をさらに発展させ得る組織を作った方がよい というような現実に合わせた組織改革の必要性を述べた提言がなされていた また 国立大学理工系の 35 大学院に設置されたがかなり多くの大学でより広い業務を遂行する組織への改革が進められていた このような大学院 VBL 部門の状況において 2013 年 6 月から約 4 ヶ月かけて部門改組が検討された その改組の方針は 次の5つにまとめられる (1) ベンチャービジネスに特化せず また分野を特定せず 大学のシーズを生かし産業界のニーズに応える産学官金連携を支援する組織とする (2) 研究開発プロジェクトへの支援は 研究スペースを提供するプロジェクト S と研究資金を提供するプロジェクト F に分けて行う (3) プロジェクト F は 期間を限定し少数のプロジェクトにまとまった額を支援する (4) プロジェクト S は 主として外部の競争的資金を得たプロジェクトに対し これまでの実績を踏まえてスペースを提供する (5) 大学院 VBL 部門の事業の一部を引き継ぎ 若手研究員による重点プロジェクトの推進 若手研究者の海外派遣 外国人研究者の招聘 大学院学生研究開発の支援等を実施する 2

9 大学のシーズを生かし産業界のニーズに応える産学官金連携のための研究開発プロジェクトを進める上で 重要な3 事業を設定した 一つ目は 先端研究推進 (Promotion of Advanced Research; AR) である ここで 先端研究 とは先端的 独創的であることは言うまでもないが 宇都宮大学のアイデンティティともなり得る本学独自のあるいは将来そうなる可能性のある研究をいう 二つ目は 異分野融合研究推進 (Promotion of Different Field Integration Research; DI) である 研究開発における異分野融合の重要性はさまざまな視点で述べられている 従来 本学も含め大学の研究組織は細分化され 個別の教員あるいは研究室に閉じた組織で研究が進められてきた この研究組織に刺激を与え活性化するとともに革新的な研究テーマを創出するため異分野融合研究を推進する 三つ目は インキュベーション推進 (Promotion of Seed Incubation Leading to Industrial Fruit; SI) である 大学の研究成果を企業の製品あるいは事業と結びつけること あるいは大学発ベンチャー企業の創出へ繋げることが本部門の最終的な目標である そのための事業を推進する 上記の 3 つの事業を推進するため プロジェクト S とプロジェクト F を学内公募した プロジェクト S の配分する研究スペースは 区分 A: 約 100m 2 /P 2 件程度 区分 B: 約 50m 2 /P 10 件程度とした プロジェクト研究期間は 原則 4 年としたが 初年度となる平成 26 年度に限り プロジェクトの半数を2 年とし それ以降は2 年毎に半数の再募集 審査を行うことにした 最終的には 11 プロジェクトが採択され 合計 640m 2 の研究開発スペースを提供した プロジェクト F のプロジェクト研究期間は 原則 2 年間とし 年間 1,000 千円の研究開発助成金を給付した 2 年後の追加申請により 1 年の延長を認めることとした 採択プロジェクト数は 毎年 4 件程度とした 今後もこの2つのプロジェクトを最重要事業として推進する計画である 前述の方針の通り 大学院 VBL 部門の事業の一部を引き継ぎ 次の事業を実施している (1) 中核的研究機関研究員 (CDI ポスドク ) の採用によるプロジェクトの推進 (2) CDI 講演会の開催 (3) 若手研究者の海外派遣 (4) 外国人研究者の招聘 (5) CDI ヤングイノベーションスカラーシップによる大学院学生研究開発の支援 以上が イノベーション創成部門設立の経緯と事業概要である 新部門 CDI は 本学の独創的創造的な研究開発を支援し 革新的な事業に繋げる活動を推進する 3

10 1.2 組織図及び年間行事一覧表 イノベーション創成部門組織図 地域共生研究開発センターセンター長鈴木昇教授 先端研究推進大学のアイデンティティとなり得る先端的かつ独創的な研究の推進 イノベーション創成部門 (CDI) 部門長高山善匡教授副部門長入江晃亘教授副部門長東海林健二教授 異分野融合研究推進これまで結びつかなかった異分野を融合させ新しい革新的研究の発展を推進 インキュベーション推進大学の研究成果を学外企業と結びつける共同研究と製品化 事業化の推進ならびに大学発ベンチャーの創出を目指した事業化の促進 4

11 平成 26 年度 CDI 年間行事 月日 CDI 行事関連行事等 H26 年 4 月 ヤングイノベーションスカラーシップ国際会議奨励ク ラント ( 前期 ) 募集 4/7~ 5 月 6 月 第 1 回プロジェクトリーダー会議 6/9 ヤングイノベーションスカラーシップ研究ク ラント募集 6/2~ 26 年度追加ポスドク 海外派遣 招聘研究員募集 7 月 ヤングイノベーションスカラーシップ MC 選考会 ヤングイノベーションスカラーシップ国際会議奨励ク ラント ( 後期 ) 募集 7/7~ オープンキャンパス 7/21( 月 祝 ) ( ポスドク出品依頼 ) 8 月 9 月 宇都宮大学企業交流会参加 9/8 全国 VBL フォーラム (9/19~20) 10 月 11 月 CDI 講演会 11/11 オープンキャンパス 12 月 次年度プロジェクト ポスドク 海外派遣 招聘研究員募集 平成 25 年度活動成果報告書発刊 H27 年 1 月 2 月 海外派遣研究員報告会 2/26 3 月 次年度プロジェクト選考プレゼンテーション CDI 非常勤研究員 ( ポスドク ) ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果発表会 ( ポスターセッション )3/6 5

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13 CDI 棟の光融合技術イノベーションセンターの装置 ( 平成 22 年度より光イノベーションセンターの装置を CDI 棟建屋内に設置 ) リアクティブイオンエッチング装置 短波長レーザー加工機短波長レーザー CDI 棟 1 階プロジェクト実験室 1-2 に設置 CDI 棟 1 階プロジェクト実験室 1-3 に設置 イオンエッチング装置 CDI 棟 1 階プロジェクト実験室 1-3 に設置 本装置に関する問い合わせは下記へ 電子ビーム描画装置 CDI 棟 3 階クリーンルームに設置 光融合技術イノベーションセンター事務局 ( 宇都宮大学地域共生研究開発センター内 ) 担当 : 野本 Tel: Fax:

14 1.4 平成 26 年度中核的研究機関研究員 (CDI ポスドク ) 紹介 研究テーマ : イヌ卵子の体外成熟と顕微授精に関する研究イヌ卵子の体外成熟培養法は未だ確立されておらず 世界的にも体外培養卵子由来の産子は得られていないのが現状です その要因として イヌ卵子の排卵時期および卵子の成熟機序の特異性が考えられていますが 詳細については不明です 本研究では 卵子の体外成熟培養技ぼす要因について検討し 優良な盲導犬や介助犬の効率的育成への貢献を目指しています サラントラガ 大塚嵩光 研究テーマ : レーザー生成プラズマ光源の特性解明に関する研究紫外線より波長が短い極端紫外 (Extreme ultraviolet: EUV) や軟 X 線 (Soft X-ray: SXR) 領域の光は, 半導体リソグラフィーの露光光源への応用が期待されています. 光源の駆動方式はレーザー生成プラズマ光源が有力視されており, これまでに研究が盛んに行われてきました. しかしながらプラズマからの輻射過程は非常に複雑であり, 未だ解決されていない課題が多くあります. 本研究ではレーザーから EUV 光または SXR への変換効率が良い光源を実現するため, プラズマからの EUV 光及び SXR 輻射過程の解明を目指しています. 8

15 北野雄大 研究テーマ : スポーツの教示訓練を目的とした腕部関節運動訓練装置の開発人体にロボットを装着し 動作の補助を行う装着型ロボットの開発が進められています 本研究では装着型ロボットを教示訓練に利用することを目的として研究を行っています 人体の運動を詳細に教示するためには 人体の関節自由度と同等の自由度が必要になります 本研究ではパラレルリンク機構を利用した装着型機構を開発し 腕部関節の運動計測を行っています さらに 装着型パラレルリンク機構を利用した教示訓練装置の開発を目指しています 山登一輝 研究テーマ :3 次元ヒストグラムを利用する可逆電子透かしに関する研究電子透かしは, 画像データへ情報を埋め込む技術であり, 著作権保護等を目的としている. しかし, 画像データは埋め込み処理によりわずかに改変されるため, 医用画像等の画質劣化を一切許容できない画像には適さない. そこで, 埋め込み画像から情報を抽出することで原画像に戻すことができる可逆電子透かしが提案されている. 本研究では,3 つの高周波サブバンドを関連させたヒストグラムを利用することで, より効率的な可逆埋め込み方式の確立を目指す. 9

16 2. 平成 26 年度プロジェクト成果 2.1 CDI プロジェクト研究一覧表 2.2 プロジェクト S 研究成果報告 2.3 プロジェクト F 研究成果報告 10

17 2.1 平成 26 年度プロジェクト一覧 平成 26 年 4 月 1 日現在 No プロジェクト研究題日 推進事業 期間 ( 年 ) 代表者名部局等 職研究分担者 プロジェクト S 1 2 情報フォトニクスシステム デバイスの企業化推進プロジェクト AR A4 谷田貝豊彦 オプティクス教育研究センター 特別教授 磁化活性汚泥法を軸とした磁気分離を活用する水処理新分野の創成 SI B4 酒井保蔵工学研究科 准教授 茨田大輔, ホ アスシ ャッキン, 山東悠介 3 マイクロ ナノ構造体の創製と応用に関する総合的研究 AR B4 鈴木昇工学研究科 教授佐藤正秀, 古澤毅 4 ホログラフィックレーザー加工技術の産学連携による推進 SI B4 早崎芳夫 オプティクス教育研究センター 教授 長谷川智士 5 中赤外レーザーによる非侵襲生体細胞観察システムの開発 AR B4 東口武史工学研究科 准教授 6 人工合成ダイヤモンドを用いた環境センシング 浄化技術 AR B4 吉原佐知雄工学研究科 准教授中澤育子 7 工農連携実用化 機械創成プロジェクト DI A2 尾崎功一工学研究科 教授 8 9 柏嵜勝, 原紳, 青山リエ 木質バイオマスの改質ガス化 トリジェネ利用システムの研究開発 SI B2 有賀一広農学部 准教授古澤毅 自己組織化を基軸とする界面制御技術の開発と機能界面の創成 AR B2 飯村兼一工学研究科 准教授 10 分光偏光イメージング技術開発プロジェクト SI B2 大谷幸利 オプティクス教育研究センター 教授 前田勇, 小林富美男 11 磁気を利用した超精密加工技術の実用化 企業化推進研究 SI B2 鄒艶華工学研究科 准教授進村武男 12 実用化を指向した光波制御デバイスの研究 SI B2 白石和男工学研究科 教授依田秀彦 13 スポーツの教示訓練を目的とした腕部関節運動訓練装置の開発 AR B2 横田和隆工学研究科 教授 * 北野雄大 プロジェクト F 14 昆虫ウイルスを用いた次世代型外来タンパク質発現系の開発 SI 2 岩永将司農学部 准教授川崎秀樹 15 無線通信 センサ技術を利用した建築施工技術の高度化 SI 2 杉山央工学研究科 教授藤本郷史, 金子和人 16 希土類レス赤色発光酸化物の研究開発 AR 2 単躍進工学研究科 教授手塚慶太郎 17 過冷却合金を利用した金属 -CFRP 高強度接合技術の開発 AR 2 山本篤史郎工学研究科 准教授高山善匡 18 微生物生態を正または負に制御する新規技術の創出 DI 1 池田宰工学研究科 教授 19 次世代エレクトロニクスへ向けた超伝導デバイスの開発 AR 1 入江晃亘工学研究科 教授 20 植物ゲノムの自在改変によるバイオ物質生産イノベーション AR 1 児玉豊 バイオサイエンス教育研究センター 准教授 加藤紀弘, 二瓶賢一, 諸星知広, 奈須野恵理 北村通英, 柏倉隆之, 八巻和宏 21 非侵襲生体情報計測と生体モデリングに関する研究開発 AR 1 嶋脇聡工学研究科 准教授酒井直隆, 中林正隆 22 フェムト秒レーザー加工における超並列パルス制御による高度化 AR 1 早崎芳夫 オプティクス教育研究センター 教授 長谷川智士 23 中赤外レーザーによる非侵襲生体細胞観察システムの開発 AR 1 東口武史工学研究科 准教授 24 バイオ素子を基盤としたオプティカルセンシング技術開発 DI 1 前田勇農学部 准教授大谷幸利 25 食用きのこのケミカルバイオロジーに関する研究 SI 1 横田信三農学部 教授 羽生直人, 飯塚和也, 石栗太, 金野尚武 ポスドク 3 名サラントラガ ( 長尾慶和 / 農学部 教授 ), 大塚崇光 ( 湯上登 / 工学研究科 教授 ),* 北野雄大 ( 上記 13) 11

18 情報フォトニクスシステム デバイスの企業化推進プロジェクト 代 表 谷田貝豊彦 所属 職名 オプティクス教育研究センター 教授 連 絡 先 TEL: FAX: メンバー 茨田大輔 ボアズ ジャッキン 山東悠介 キーワード ホログラフィメモリ 光計測 光デバイス 偏光ホログラフィ 背景および目的インターネットやデータセンターの普及 発展に象徴される情報通信技術の進展に伴って デジタルデータの流通量は爆発的に増大している 日々流通する膨大なフローデータを効率的に管理 保存するためには 情報通信技術の進展に呼応した新しい情報ストレージシステムやデバイス技術あるいはこれを支える計測技術が必要である 高度情報化社会の進展に呼応した情報記録への強い要請に対応するため大容量光メモリ技術開発を行う 偏光情報をベクトル波情報としてポリマー内部に三次元的に記録する 第 1 段階は偏光情報の直接記録材料の探査とその特性評価 大容量化に向けた諸課題の検討 材料評価のための光学的イメージング技術の基盤開発を行う 第 2 段階では要素技術の確立を目指して 材料の特性向上 および ベクトル波情報記録のためのシステムモジュール開発等を進める 第 3 段階では 3テラバイト / ディスク (5 インチ ) メモリシステムの試作と実用化のための実証試験を行う さらに これらの技術開発で必要とされる計測技術 デバイス技術をさらに発展させ より一般的な分野に展開できる技術開発も進める プロジェクトの内容本プロジェクトで開発する新技術はベクトル波情報を三次元的に記録することである 我々は 光に含まれる情報を偏光の位相差 ( リターデーション ) として可視化 もしくは 記録する新規な光学技術 ( リターダグラフィ ) を世界に先駆けて独自に考案 するに至っている 偏光位相差情報を媒体に直接記録することは一般に困難であるが 偏光の方位角を複屈折に置き換えて媒体に記録することは可能である そのような材料系としてよく知られているものがアゾベンゼン材料である 当該材料においては直線偏光の照射によって分子の向きが変化し ( 偏光誘起分子再配向 ) 照射された直線偏光方位と同じ方位に主軸をもつ大きな複屈折が誘起できる特性がみられるためである 我々は光配向機能性に優れるアゾベンゼンと大きな分子固有複屈折を有するビスアゾベンゼンからなるいくつかのランダムコポリマーの系を合成し 高い光誘起複屈折と保存安定性 書き込み消去の繰り返し耐久性などの光学的特性を検討し 最適な材料の開発を進める これらの技術開発と並行して 高性能記録材料中の記録状態 ( 位相物体に相当 ) を高分解能 高感度 定量的に観察するための新しいイメージング技術の確立を行う 例えば 偏光超解像を生かした高分解能イメージング 高分解能でかつ広域の視野を観察できる顕微鏡 位相物体の三次元構造を観察可能な回折光学トモグラフィ 非線形光学効果を利用した高分解能イメージングなどメモリ用途にとどまらない広範な応用が期待される各種イメージング技術基盤の確立である 期待される効果 展開偏光方式の記録材料開発とページデータ記録方式開 そのための材料開発で必要となる三次元顕微映像化技術を開発することにある 本技術の完成により 情報通信技術の進展に呼応した新しい情報ストレージシステムの実用化が図られる さらに関連の計測技術デバイス技術の発展が期待される 12 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門

19 プロジェクト 1 情報フォトニクスシステム デバイスの企業化推進プロジェクト ( 担当者 ) 谷田貝豊彦 本年度の研究成果概要大容量メモリ技術および三次元光計測技術に関する研究を行った 大容量光メモリ技術に関しては 従来のホログラフィックメモリ技術をさらに大容量化する方法を検討した 具体的には 記録に用いる 2 階調で表現されたページデータを多階調の複素数値に変換し 記録面積を小さくすることによって記録密度を高くする方法を提案した また 提案した方法によって作り出した光波が理想のものになっているかを三次元的に計測する方法を提案した その他三次元計測技術として 物体から放射される遠赤外線を測定することにより 熱源を三次元的に計測する方法を提案し 実証実験を行った 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1)Daisuke Barada, Hiroki Sekiguchi, Takashi Fukuda, Shigeo Kawata, Toyohiko Yatagai, "Shift Multiplex Recording of Four-Valued Phase Data Pages by Volume Retardagraphy", Applied Sciences, 4, (2014) 2)Shuhei Shibata, Fumio Kobayashi, Daisuke Barada, Yukitoshi Otania, Microscopic type of real-time uniaxial 3D profilometry by polarization camera, Proceedings of SPIE, 9203, (2014) 3)Yusuke Sando, Daisuke Barada, Toyohiko Yatagai, "Holographic 3D display observable for multiple simultaneous viewers from all horizontal directions by using a time division method", Optics Letters, 39, (2014) 4)Daisuke Barada, Data pages recording and reconstruction by dual-channel polarization holography with coherent addition method, Proceedings of SPIE, 9201, (2014) 5)Nao Ninomiya, Yamato Kubo, Daisuke Barada, Tomohiro Kiire, "Direct Measurement of Longitudinal Velocity by Doppler Phase-Shifting Holography", Journal of Visualization, 18, (2015) 6)Manabu Hakko, Tomohiro Kiire, Daisuke Barada, Toyohiko Yatagai", Yoshio Hayasaki", Shape estimation of diffractive optical elements using high-dynamic range scatterometry, Applied Optics, 54, (2015) 国際会議発表 (plenary lecture:pl, invited speaker:is, oral presentation:op, poster presentation:pp) 1)*OP* Shuhei Shibata, Fumio Kobayashi, Daisuke Barada, Yukitoshi Otani, "Dynamic and uniaxial profilometry by polarization camera", SPIE Photonics Europe 13

20 2014, Brussels, Belgium (2014) 2)*PL* Toyohiko Yatagai, Biomedical Imaging, Optics & Photonics International Congress, Pacifico Yokohama, Yokohama (2014) 3)*PL* Toyohiko Yatagai, Vector-Wave Hologrpahy and Optical Mass Storage, II International Conference on Applications of Optics and Photonics, Aveiro, Portgul (2014) 4)*IS* Toyohiko Yagatai, Daisuke Barada, "Polarization holography for optical mass-storage", th Workshop on Information Optics, Neuchatel, Switzerland (2014) 5)*OP* Daisuke Barada, Nao Ninomiya, Shigeo Kawata, Toyohiko Yatagai, "Velocity filtering method for moving particles based on doppler phase-shifting digital holography", Digital Holography and 3-D Imaging 2014, Seattle, U.S.A. (2014) 6)*OP* Shuhei Shibata, Fumio Kobayashi, Daisuke Barada, Yukitoshi Otania, "Microscopic type of real-time uniaxial 3D profilometry by polarization camera", SPIE Optics + Photonics 2014, San Diego, U.S.A (2014) 7)*IS* Daisuke Barada, "Data pages recording and reconstruction by dual-channel polarization holography with coherent addition method", SPIE Optics + Photonics 2014, San Diego, U.S.A (2014) 8)*IS* Toyohiko Yatagai and Daisuke Barada, Vector Wave Holography for Optical Mass Storage, ICO23, Santiago de Compostela, Spain (2014) 9)*IS* Toyohiko Yatagai, Optical Mass Storage using Polarization Holography, EOSAM2014, Berlin, Germany (2014) 10)*IS* Toyohiko Yatagai, Full view-angle 3D display with computer-generated holograms based on rigorous diffraction theory, EOSAM2014, Berlin, Germany (2014) 11)*PP* Daisuke Barada, Shigeo Kawata, Toyohiko Yatagai, "Simultaneous Two Data Pages Recording and by Dual-Channel Polarization Holography in a Photoinduced Birefringent Polymer and Simultaneous Reconstruction Using an Image Sensor", The 23rd International Conference on Plastic Optical Fibers 2014, Yokohama (2014) 12)*IS* Toyohiko Yatagai, Holographic Mass-Storage System and Polarization Holography, ISOM2014 International Symposium on Optical memory, Hsinchu, Taiwan (2014) 13)*OP* Daisuke Barada, Shigeo Kawata, Toyohiko Yatagai, "Coherent and incoherent noise tolerances of multilevel phase data page for holographic memory by numerical simulation", International Workshop on Holography and Related Technologies 2014, Beijing, China (2014) 14

21 14)*PP* Liu Ying, Zhenzhen Li, Jinliang Zang, An an Wu, Jue Wang, Xiao Lin, Xiaodi Tan, Daisuke Barada, Tsutomu Shimura, "The optical polarization properties of phenanthrenequinone-doped poly (methyl methacrylate) photopolymer materials for volume holographic storage", International Workshop on Holography and Related Technologies 2014, Beijing, China (2014) 15)*IS* Toyohiko Yatagai, Daisuke Barada, Vector Wave Holography for Optical Mass Storage, Austlial Insitute of Physics Congress, Canberra, Australia (2014) 16)*PL* Toyohiko Yatagai, Holographic Mass Storage System, International Conference on Optics and Photonics, Kolkata, India (2015) 17)*IS* Toyohiko Yatagai, Holographic Data Storage, Adplf Lohmann Alumni Symposium, Landgasthof Sponsel-Regus, Germany (2015) 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 一般 谷本拓也, 茨田大輔, 福田隆史, 早崎芳夫, 谷田貝豊彦," インラインホログラフィにおける位相ページ記録のパターン依存性 ", 第 75 回応用物理学会秋季学術講演会, 札幌 (2014) 2) 一般 茨田大輔, 川田重夫, 谷田貝豊彦, 尾松孝茂," ラゲール ガウスビーム照射による光誘起表面レリーフ形成の解析 (II)", 第 75 回応用物理学会秋季学術講演会, 札幌 (2014) 3) 一般 茨田大輔, 谷本拓也, 川田重夫, 谷田貝豊彦," ホログラフィックメモリにおける多値信号レベルの等間隔化のための位相ページデータのコーディング方法 ", Optics and Photonics Japan 2014, 東京 (2014) 4) 一般 山東悠介, 茨田大輔, 谷田貝豊彦," スペクトル分離によるフルカラー再生可能な単一計算機ホログラム ",Optics and Photonics Japan 2014, 東京 (2014) 5) 一般 八講学, 喜入朋宏, 茨田大輔, 谷田貝豊彦, 早崎芳夫," 背景散乱光を用いた回折光学素子の形状推定 ", 電子情報通信学会レーザ 量子エレクトロニクス研究会, 大阪 (2015 6) 一般 蛇沼和人, 茨田大輔, 川田重夫, 谷田貝豊彦," 並進走査遠赤外線 CT による三次元的熱輻射源の測定 ", 第 9 回関東学生研究論文講演会, 浜松 (2015) 7) ポ 柏木駿, 茨田大輔, 藤村隆史, 川田重夫, 谷田貝豊彦," 不等間隔フーリエディジタルホログラフィによる微細光波の観察 ", 第 9 回関東学生研究論文講演会, 浜松 (2015) 8) 一般 山東悠介, 茨田大輔, 谷田貝豊彦," 波面回転光学系を用いた全水平方向から観測可能なホログラフィック 3D ディスプレイの時分割数の削減 ", 第 62 回応用物理学会春季学術講演会, 平塚 (2015). 9) 一般 茨田大輔, 川田重夫, 谷田貝豊彦," 複素振幅マスクを用いたバイナリーペー 15

22 ジデータの高密度化方法 ", 第 62 回応用物理学会春季学術講演会, 平塚 (2015) 10) 一般 茨田大輔, 川田重夫, 谷田貝豊彦, 尾松孝茂," ラゲール ガウスビーム中における粒子の円運動の原理 ", 平塚 (2015) 他 9 件 特許 ( 外国, 国内, 公開, 出願 ) 1) 国内 出願 空間光変調装置及び空間光変調方法 ( 平成 24 年 11 月 ) 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 受託 谷田貝豊彦, 茨田大輔 ( 分担 ), 他,149,664 千円 テラバイト時代に向けたポリマーによる三次元ベクトル波メモリ技術の実用化研究 科学技術振興機構研究成果展開事業戦略的イノベーション創出推進プログラムフォトニクスポリマーによる先進情報通信技術の開発 ( 平成 21 年度 ~) 2) 科研 二宮尚, 茨田大輔 ( 分担 ),4,070 千円 ドップラーシフトホログラフィーによるマイクロ流路内の単眼三次元流速計測 ( 平成 25 年度 ~) 3) 共同 谷田貝豊彦, 他,5,000 千円 光干渉 3 次元眼底撮影装置の研究 ( 株 ) トプコン ( 平成 25 年 10 月 ~ 平成 26 年 9 月 ) 4) 科研 福田隆史, 茨田大輔 ( 分担 ), 他,7,020 千円 サイクロイド様サブ波長断面構造での高効率局在プラズモン発生と超高感度センサー応用 ( 平成 26 年度 ~) 5) 科研 茨田大輔,3,120 千円 光誘起表面振動による揮発性大容量ホログラフィックランダムアクセスメモリの検討 ( 平成 26 年度 ~) 6) 共同 谷田貝とよひこ, 他,5,368 千円 サブミリ秒高速度カメラを用いた偏光干渉計の実用化開発 ( 株 ) 清原光学 ( 平成 26 年 7 月 ~ 平成 27 年 2 月 ) 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 D3:1 名,D2:1 名 CDI プロジェクト関連の成果についての特記事項イ ) 社会活動 1 件第 8 回宇都宮大学企業交流会茨田大輔, 川田重夫, 電子線リソグラフィによるナノ構造の形成とその光学特性 (2014 年 9 月 8 日 ) ロ ) イベント 出展 1 件科学技術振興機構首都圏北部 4 大学発新技術説明会茨田大輔, ホログラフィックメモリにおける情報転送速度の高速化に向けた並列多値位相データ再生技術 (2014 年 6 月 19 日 ) 16

23 磁化活性汚泥法を軸とした磁気分離を活用する水処理新分野の創成 代 表 酒井保藏 所属 職名 工学研究科 准教授 連 絡 先 TEL: FAX: メンバー 酒井保藏 キーワード 水処理磁気分離磁化活性汚泥法マグネタイト微生物余剰汚泥 背景および目的 磁化活性汚泥法は 活性汚泥にマグネタイトを添加し磁気分離で運転する新しい水処理法である 活性汚泥法は 100 年の歴史があり 微生物の浄化作用を利用した有機排水の浄化法として最も利用されている水処理の基幹技術であるが 1) 微生物と水の分離が困難 2) 処理有機物の半分は汚泥に変換される 3) 負荷変動や有害物質の混入に弱いなどの欠点が残されている 本プロジェクトは これらの欠点を磁気分離を導入することですべて解決し 誰でも安定した水処理を 余剰汚泥の発生ゼロで実施できる技術を開発している 同時に 磁化活性汚泥法を突破口として 磁気分離を利用した工学分野の開拓を目標としている プロジェクトの内容 その第一歩として 磁化活性汚泥法の実用化を最優先と考えている 磁化活性汚泥法は水処理に広く活用される可能性があり 実用分野の開拓によって 磁気分離分野技術が見直され 磁気分離と様々な従来技術の融合につながっていくことを期待している 期待される効果 展開 原理 : 水処理微生物と磁性粉を一体化させ ( 磁化活性汚泥 ) 磁化活性汚泥は磁気分離装置で分解槽に戻し 微生物が浄化した水のみを放流する 開発方針磁気分離実験標準装置の提案と普及磁化活性汚泥法に限らず 磁気分離を組み込んだ実験用リアクターは 市販されておらず 研究者は 磁気分離実験装置の自作から取り組まなければ研究できない 原理的な検討は磁石とビーカーで実施できるが 連続実験装置の自作は見本がなく簡単ではない 我々は誰でも磁気分離を利用できる研究環境を提供することが重要と考え 5 L の磁気分離反応装置の標準化を進めている ( 現行の科研費テーマ ) すでに 栃木県産業技術センター 畜産草地研究所 水処理企業 他大学で標準装置を使った共同研究の実績がある 国内外を問わず いつでも本装置を利用した共同研究を受け入れる準備ができている 磁化活性汚泥法標準パイロットプラントの提案 標準装置によって磁化活性汚泥法のベンチスケール実験で成果を得ても 磁化活性汚泥法を実用に発展させるためには パイロットプラント実験が必要となる 我々は磁気分離装置メーカー 水処理プラント企業と共同で移設容易な磁化活性汚泥法パイロットプラントのパッケージを開発している これにより現場に持ち込んで 適応性評価を簡単に実施でき 実用化に弾みがつくと期待している 宇都宮市水再生センターの磁化活性汚泥パイロットプラント (80 人分相当の下水を連続処理している, 曝気槽 8m 3 ) 磁化活性汚泥標準装置 (5 L) アジア新興国に設置された工場排水処理のための磁化活性汚泥パイロットプラント ( 曝気槽 12 m 3 ) 謝辞 : 本研究は科研費基盤研究 (A) の支援を受けた 17 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門

24 プロジェクト 2 磁化活性汚泥法を軸とした磁気分離を活用する水処理新分野の創成 ( 担当者 ) 酒井保藏 本年度の研究成果概要水浄化技術でほとんど使われていない磁気分離技術を導入した生物学的水処理法の実用化と関連する新規学術分野の創成を目標に研究推進した 磁気分離研究には特殊な装置が必要であるが誰でも種々の水処理研究を推進できるように磁化活性汚泥法のベンチスケール実験装置の標準化を進め, 汎用性のある実験装置を完成させた これにより水処理企業や国の研究機関との共同研究を実現した また 可搬型磁化活性汚泥パイロットプラントの標準化による実証研究の標準化の目指してプロトタイプ2 種 ( 縦型 2m 3 槽, 横型 4m 3 槽 ) を試作し試運転を進めている 生物処理だけでなく, 磁気分離を活用した物理化学的処理への展開や放射性汚染汚泥の磁気分離による除染技術の開発も進めた 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) T. Onodera, Y. Sakai, M. Kashiwazaki, I. Ihara, M.L. Saha: Application of magnetic activated sludge process for a milking parlor wastewater treatment and nitrogen/phosphate recycle, Proceeding of 9th IWA International Symposium on Waste Management Problems in Agro-Industries proceeding, vol.2, , (2014) 2) Gaowa, Y. Sakai, M.L. Saha, I. Ihara: Treatment of waste-milk containing tetracycline by magnetic activated sludge and contact oxidation process, Proceeding of 9th IWA International Symposium on Waste Management Problems in Agro-Industries proceeding, vol.1, (2014) 国際会議発表 (plenary lecture:pl, invited speaker:is, oral presentation:op, poster presentation:pp) 1) *OP* Y. Sakai, Y. Fujiwara, K. Takahashi, S. Nishijima, Proposal of Simple Method for Radioactive Decontamination of Sludge by Magnetic Separation, 6th International Workshop on Materials Analysis and Processing in Magnetic Fields (MAP6), (Okinawa), (2014/7/8) 2) *OP* M. L. Saha,Y. Sakai,S. Sasaki,T. Sasaki,M. Oda,M. Shohoji, Application of Magnetic Separation Technique in Various Biological Processes, 6th International Workshop on Materials Analysis and Processing in Magnetic Fields (MAP6), (Okinawa), (2014/7/8) 3) *OP* I. Ihara,K. Noda,K. Toyoda,Y. Sakai,K. Umetsu, Magnetic Removal of Veterinary Antibiotic using Magnetic Seeds for Wastewater Treatment, 6th International Workshop on Materials Analysis and Processing in Magnetic Fields (MAP6), 18

25 (Okinawa), (2014/7/8) 4) *PP* Gaowa,Y. Sakai,M. L. Saha, Treatment of Waste-milk Containing Antibiotic by Magnetic Activated Sludge Process, 6th International Workshop on Materials Analysis and Processing in Magnetic Fields (MAP6), (Okinawa), (2014/7/8) 5) *PP* T. Onodera,Y. Sakai,I. Ihara,M. L. Saha,K. Takada,M. Yunba, Application of Magnetic Separation Process into Treatment of Various Dairy Wastewater Treatment, 6th International Workshop on Materials Analysis and Processing in Magnetic Fields (MAP6), (Okinawa), (2014/7/8) 6) *PP* K. Sakai,Y. Sakai, J. Nakaoka,M. Yunba, Development of Full Scale Continuous Separator for Magnetic Activated Sludge from Rotation Drum Separator Incorporating Neodymium Magnet, 6th International Workshop on Materials Analysis and Processing in Magnetic Fields (MAP6), (Okinawa), (2014/7/8) 7) *PP* Y. Komuro, Y. Sakai,Y. Hanai,E. Nakada, Investigation of Magnetic Separation of High Concentration Magnetic Activated Sludge process for Food Industrial Waste Water Treatment, 6th International Workshop on Materials Analysis and Processing in Magnetic Fields (MAP6), (Okinawa), (2014/7/8) 8) *IS* Y. Sakai, K. Takahashi, Y. Fujiwara, S. Nishijima, Proposal of Magnetic Decontamination of Radioactive Cs from Activated Sludge, The 5th International Forum on Magnetic Force Control in Beijing, (2014/10/30) 9) *PL* Y. Sakai, M. L. Saha, I. Ihara, Research and Development (R&D) of Magnetic Activated Sludge Process: Development of Standard Apparatus for Bench Scale Experiment, 6th Inter. Botanical Conf., Dhaka, Bangladesh (2014/12/6-7) 10) *PP* K. Sakai, Y. Sakai, M. L. Saha, Development and Cost Effective Practical Devices of Magnetic Activated Sludge Process, 6th Inter. Botanical Conf., Dhaka, Bangladesh (2014/12/6-7) 11) *PP* T. Onodera, Y. Sakai, M. Kashiwazaki, I. Ihara, M. L. Saha, K. Takada, M. Yunba, Milking Parlor Wastewater Treatment by Coagulation and Magnetic Activated Sludge Process, 6th Inter. Botanical Conf., Dhaka, Bangladesh (2014/12/6-7) 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 一般 酒井康平, 酒井保藏, 中岡潤一, 弓場誠, ネオジム磁石を内蔵した回転ドラム型磁気分離装置による磁化活性汚泥の連続分離, 第 89 回 2014 年度春季低温工学 超電導学会, 東京 (2014/5/26) 2) 一般 酒井保藏, 藤原豊, 高橋克哉, 西嶋茂宏, 放射能汚染された汚泥の除染への磁気分離応用の可能性, 第 89 回 2014 年度春季低温工学 超電導学会, 東京 (2014/5/26) 19

26 3) 一般 酒井保藏, 高娃, 小野寺利仁, ミヒルラルサハ, 井原一高, 家畜用抗生剤を含む模擬廃棄乳の磁化活性汚泥法による生分解処理, 2014 年度農業施設学会大会, 神戸 (2014/8/27-29) 4) 依頼 酒井保藏: 講義 Ⅳ 磁気シーディング, 2014 第 13 回磁気力制御 磁場応用夏の学校 ( 宇都宮 ), (2014/9/5) 5) ポ 小野寺利仁, 酒井保藏, 柏崎勝, 井原一高, ミヒルラルサハ, 高田清信, 弓場誠, 磁気分離と凝集法を活用した酪農排水処理 ~ 様々な酪農排水に対するプロセスの提案, 磁気力制御 磁場応用夏の学校ポスターセッション, (2014/9/6) ( 優秀発表賞 ) 6) ポ 酒井康平, 酒井保藏, 弓場誠, ネオジム磁石を内蔵した回転ドラム型磁気分離装置による磁化活性汚泥のフルスケール連続分離の検討, 磁気力制御 磁場応用夏の学校ポスターセッション, (2014/9/6)( 優秀発表賞 ) 7) 一般 酒井保藏, 磁化活性汚泥法 ~ 磁気分離による生物学的水処理法の利点と実用化にむけた研究戦略, 水環境学会シンポジウム ( 産業排水処理研究会 ), 滋賀県立大学 (2014/9/8) 8) 招待 酒井保藏, 汚染下水汚泥の現状と問題点, 第 3 回材料研究会シンポジウム 福島除染に関する現状と問題点 福島市除染情報プラザ (2014/11/4) 9) 一般 酒井保藏, 高橋克哉, 酒井康平, 磁化活性汚泥法標準実験装置の凝集磁気分離プロセス研究への活用, 第 49 回水環境学会年会, 金沢大学 (2015/3/16) 10) 一般 小室ゆい, 酒井保藏, 花井洋輔, 中田英寿, ミヒルラルサハ, 余剰汚泥ゼロで運転される磁化活性汚泥法の汚泥平衡濃度と負荷の関係に関する基礎的研究, 第 49 回水環境学会年会, 金沢大学, 2015/3/18 他 14 件 著書, 総説, 解説等 1) 酒井保藏, 磁化活性汚泥法の実用化にむけてベンチスケール実験装置の標準化で研究開発が容易に, 環境浄化技術 _4, Vol. 14, pp (2015) 特許 ( 外国, 国内, 公開, 出願 ) 1) 国内 出願, 花井洋輔, 中田英寿, 酒井保藏, 排水処理方法 ( 平成 27 年 1 月 ) 2) 国内 出願, 花井洋輔, 石川菜美, 酒井保藏, スクラバ廃水の処理方法およびスクラバ排水の処理装置 ( 平成 27 年 3 月 ) 受賞 1) 小野寺利仁 ( 指導学生 ), 2014 年度磁気力制御 磁場応用夏の学校優秀発表賞, 磁気分離と凝集法を活用した酪農排水処理 ~ 様々な酪農排水に対するプロセスの提案 (2014/9/6) 20

27 2) 酒井康平 ( 指導学生 ), 2014 年度磁気力制御 磁場応用夏の学校優秀発表賞, ネオジム磁石を内蔵した回転ドラム型磁気分離装置による磁化活性汚泥のフルスケール連続分離の検討, (2014/9/6) 3) Toshihito Onodera( 指導学生 ), Poster Award for Young Researchers, Application of magnetic activated sludge process for a milking parlor wastewater treatment and nitrogen/phosphate recycle, 9th IWA International Symposium on Waste Management Problems in Agro-Industries, (2014/11/26, Koch, Japan) 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 科研 基盤研究(A), 酒井保藏 ( 代表 ), 12,220 千円, 磁気分離を活用した生物学的水処理技術の新領域の創成 (H.26 年度分 ) 2) 科研 挑戦的萌芽研究, 酒井保藏 ( 代表 ), 1,614 千円, 磁気分離を活用した放射能汚染された下水汚泥の効率的な除染技術の創成 (H.26 年度分 ) 3) 共同 酒井保藏,3,000 千円 磁化活性汚泥法による高濃度廃水処理の実用化検討 富士電機 ( 平成 26 年 ) 4) 共同 酒井保藏,2,000 千円 磁化活性汚泥の磁気分離装置開発 NEOMAX エンジニアリング, (H25~26 年度 ) 5) 奨学 酒井保藏,500 千円, バイオガスプラントから排出される消化液の磁化活性汚泥法による処理 ニチロ畜産 (H26 年度 ) 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 D2:1 名 博士前期課程 M2:2 名,M1:1 名 CDI プロジェクト関連の成果についての特記事項イ ) ベンチャー起業なしロ ) 報道なしハ ) 展示 3 件さくらフェスタ (2014 年 4 月 15 日 ) 宇都宮大学工学部オープンキャンパス (2014 年 11 月 3 日 ) 宇都宮大学工学部福島市市民公開講座 低温工学会展示 磁場を使った除染技術 (2014/11/8) ニ ) 技術指導 5 件 ( ライオンウィングス ( インドネシア ) ニチロ畜産 日本鋼鐵 松本工業株式会社 ;5/1 丸山製作所;10/8) ホ ) シンポジウム開催 2014 年度第 13 回磁気力制御 磁場応用夏の学校 in 宇都宮を開催 (2014/9/5~6) 宇都宮大学工学部ヘ ) 学会における研究会の主催電気学会協同研究委員会 医療 バイオ 環境分野に 21

28 おける磁気力制御技術協同研究委員会 委員長酒井保藏 (2013/6~14/5) ト ) 国際研究交流バングラデシュ ダッカ大学ミヒルラルサハ教授を 6 月 ~8 月の 2カ月 研究室に招聘して共同研究を行った 12 月にダッカ大での国際会議に招待された 22

29 マイクロ ナノ構造体の創製と応用に関する総合的研究 代 表 鈴木昇 所属 職名 工学研究科 教授 連 絡 先 TEL: FAX: メンバー 佐藤正秀, 古澤毅, 神谷和伸 キーワード コア-シェルナノ構造体, ナノ流体, マイクロカプセル 背景および目的 プロジェクトの内容 本研究プロジェクトは, マイクロ ナノ構造体の創製プロセスとその応用に関する研究を推進することを目的とし, 主に 3 つの研究テーマから構成される (1) 自ナノ粒子に関する研究が広く実施されているが, 凝集性, 人体適応性, 触媒活性, 毒性などの制御のために, その表面をシリカなどでコーティングする技術が研究されている 当グループでは, マイクロ波を用い, 酸化チタン, 酸化亜鉛および酸化セリウムなどの酸化物ナノ粒子, 金, 銀および銅などの金属ナノ粒子をシリカやチタニアなどの酸化物で, 極めて短時間にコーティングする技術を開発してきた 今後はさらに対象とするナノ粒子を変化させるとともに, マイクロ波の有効性をさらに追及する (2) 自動車等の輸送機器において 環境中に排出する未利用熱エネルギーを回収 利用するために蓄熱 熱電変換等の研究開発がすすめられているが これらの技術を熱的に接続するためには高性能伝熱流体の開発が必要不可欠である 当グループでは高伝熱性各種ナノ材料を熱媒体中にナノレベルで均一分散したナノ流体の合成と熱物性および伝熱性能評価を通じて 新規な高性能伝熱流体の実現を目指す (3) 日本においてバイオディーゼル燃料 (BDF) の原料として家庭や飲食業界から排出される廃食用油が考えられ 様々な研究が進行中である その中で当研究グループでは マイクロカプセルに触媒を内包した新規触媒系を用いて検討してきており 2 種類の触媒系を用いた廃食用油からの BDF 合成プロセスを実用化することが目的である (1) 半導体量子ドットは直径が 2~10nm 程度のナノ結晶であり, 蛍光プローブとして応用されている そこで,AgI 等の無機化合物ナノ粒子のコーティング技術を開発していく また, 関連する共同研究が進行しており, その実用化に向けての研究も進めていく (2) マイクロ波加熱液相還元 超臨界 CO2/ マイクロエマルション法など 熱媒体類似液体中でのナノ材料が直接合成可能な合成手法を用いて 金属ナノワイヤ 表面修飾金属酸化物ナノ粒子 カーボン系ナノ材料を液相化学合成する 得られたナノ材料の熱媒体中への分散挙動 ナノ材料分散液 ( ナノ流体 ) の有効熱伝導率測定や単相流伝熱実験 ヒートパイプ作動流体としての伝熱性能評価などを通じて 伝熱促進効果について実験的な観点からの検討を行う (3) 廃食用油 ( 水分, 遊離脂肪酸, トリグリセリド ) を脱水処理後 固体酸触媒内包カプセルを用いた遊離脂肪酸のエステル化 および固体塩基触媒内包カプセルを用いたトリグリセリドのエステル交換を経て BDF を合成するプロセスを検討し 実用化を目指す 期待される効果 展開 (1) 既に共同研究を推進しており, 工業的応用面での発展が期待される (2) ナノ流体は, 輸送機器 高発熱密度電子素子冷却用の新規熱媒体として応用されることが期待される (3) 開発した BDF 合成プロセスを県内の廃食用油原料へ適用し プロセスの実証試験を行う 3nm ZnO SiO 2 膜 Reactant Catalyst Product ZnO ナノ粒子のシリカコーティング ナノ流体に用いる銀ナノワイヤ マイクロカプセル触媒の模式図 23 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門

30 プロジェクト 3 マイクロ ナノ構造体の創製と応用に関する総合的研究 ( 担当者 ) 鈴木昇, 佐藤正秀, 古澤毅 本年度の研究成果概要本プロジェクトでは, 機能性マイクロ ナノ構造体を創製し, それを種々の分野に応用することを目的としている 平成 26 年度における成果は以下の通りである アルギン酸または カラギーナンを用いてマイクロカプセルを創製し, 必要十分な酵素固定化率を達成した 光熱変換素子と触媒を内包したマイクロカプセルを創製し, バイオディーゼル燃料の合成におけるその特性を評価した シリコン基板上ナノ薄膜としてのハロゲン含有自己組織化膜の X 線照射時における分解特性を評価し, 特異的ハロゲン脱離挙動を見出した 高アスペクト比銀ナノワイヤを含むナノ流体で著しい熱伝導率の増加が生じることを見出した 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) Transesterification of rapeseed oil with methanol using CaO and active carbon powders encapsulated microcapsule under the light irradiation, T. Furusawa, F. Kurayama, H. Handa, R. Kadota, M. Sato, N. Suzuki, Appl. Catal. A, 475, (2014). 2) Surface Modification of Self-assembled Monolayers of Thiol- and Disulfide-terminated Organosilanes by UV/ozone Treatment toward Fabrication of Damaged-Hair Surface Models, M. Kageyama, Y. Nishida, N. Tagaki, N. Suzuki, T. Kato, N. Kato, K. Iimura, Trans. Mater. Res. Soc. Jpn., 39(1), (2014). 3) Surface modification of silica coated ZnO nanoparticles with 3-aminopropyltriethoxysilane by microwave-assisted method and its effect on the properties of coated samples, T. Furusawa, Y. Kadota, A. Matsuzuka, F. Kurayama, N. M. Bahadur, M. Sato, N. Suzuki, J. Chem. Eng. Jpn., 47(12), (2014). 国際会議発表 (plenary lecture:pl, invited speaker:is, oral presentation:op, poster presentation:pp) 1) *PP* M. Watanabe, T. Furusawa, T. Matsumoto, M. Sato, N. Suzuki, Methanolysis of rapeseed oil to biodiesel fuel with CaO and amorphous N-doped TiO 2 powders encapsulated microcapsule under the light irradiation, TOCAT7, Kyoto, June 1-6 (2014). 2) *PP* F. Kurayama, H. Tamura, S. Miyamoto, K. Kimura, T. Furusawa, M. Sato, N. Suzuki, Preparation of photoactive organic-inorganic hybrid microcapsules with zinc porphyrin and enzyme, 2014 International Conference on Artificial Photosynthesis (ICARP2014), Awaji, 24

31 Hyogo, November (2014). 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 一般 古村直人, 佐藤佑, 佐藤正秀, 古澤毅, 鈴木昇 :PGMA-シランカップリング複合膜による無機および有機基板表面の親水化, 化学工学会第 46 回秋季大会, 九州大学 (2014). 2) 一般 渡部萌, 古澤毅, 角田涼介, 松本太輝, 佐藤正秀, 鈴木昇 :CaO/ クロム担持型酸化チタン内包カプセルを用いた光エネルギー駆動型 BDF 合成反応, 第 114 回触媒討論会, 広島大学, (2014). 3) 一般 松本太輝, 大嶋毅士, 古澤毅, 佐藤剛史, 橋本佳男, 大谷文章 :p-n 接合型半導体複合粒子の合成と光触媒特性, 第 114 回触媒討論会, 広島大学, (2014). 4) 特別 古澤毅, 特別講演 触媒/ 光熱変換物質内包型マイクロカプセルを用いた光エネルギー駆動型 BDF 合成反応, 2014 年度材料技術研究協会討論会, 東京理科大学 (2014). 5) 一般 布藤俊介, 古澤毅, 佐藤正秀, 鈴木昇 : アナターゼ型 TiO 2 /SiO 2 /Fe 3 O 4 光触媒複合粒子の創製, 2014 年度材料技術研究協会討論会, 東京理科大学 (2014). 6) 一般 神山連, 沼尾卓志, 古澤毅, 佐藤正秀, 鈴木昇 : 含塩素有機化合物分解固定化用 CaO 複合粒子の創製, 2014 年度材料技術研究協会討論会, 東京理科大学 (2014). 7) ポ 齋藤翔太, 佐藤正秀, 古澤毅, 鈴木昇 : シングルモードマイクロ波 -ポリオール法による銀ナノワイヤ合成に及ぼす諸因子の影響, 化学工学会第 80 回年会, 芝浦工業大学 (2015). 8) 一般 佐藤正秀, 寺崎奈穂子, 齋藤翔太, 古澤毅, 鈴木昇 : 塗布プロセスによるパーコレーション型銀ナノワイヤネットワーク構造形成過程に及ぼす諸因子の影響, 化学工学会第 80 回年会, 芝浦工業大学 (2015). 9) 一般 神谷和伸, 鈴木昇 : アルミニウム錯体のカプセル化による潜在性低温硬化触媒の開発, 化学工学会第 80 回年会, 芝浦工業大学 (2015). 著書, 総説, 解説等 1) 著書 古澤毅, 倉山文男, 佐藤正秀, 鈴木昇, CaO 触媒内包型マイクロカプセルを用いたバイオディーゼル燃料の合成, マイクロ/ ナノカプセルの調製, 徐放性制御と応用事例, 技術情報協会, pp (2014) 2) 著書 F. Kurayama, T. Furusawa, N. M. Bahadur, M. Sato, N. Suzuki, Biodiesel production using CaO-loaded microcapsules as a solid base catalyst, Nova Science Publisher Inc., pp (2014) 3) 解説 古澤毅, 倉山文男, 佐藤正秀, 鈴木昇, CaO 触媒 / 光熱変換物質内包型マイクロカプセルを用いた光エネルギー駆動型 BDF 合成反応, 触媒, 56(5) (2014)

32 4) 解説 倉山文男, 古澤毅, 佐藤正秀, 鈴木昇, 有機 - 無機マイクロカプセルへの酵素等 のナノ触媒の固定化, 化学工業, 66(1) (2015) 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 科研 鈴木昇, 1,770 千円 CO 2 からメタノールを直接合成するカプセルリアクター型人工光合成システムの構築 ( 平成 26 年度 ) 2) 科研 古澤毅, 1,400 千円 光エネルギー駆動型液相反応用カプセル型マイクロリアクターの開発 ( 平成 26 年度 ) 3) 受託 古澤毅, 1,000 千円 JST-ALCA 水素分離膜 精製技術の研究開発 / 水素分離 精製グループ / アンモニア分解用メンブレンリアクターの研究開発とプロセス検討 ( 平成 26 年度 ) 4) 受託 古澤毅, 5,700 千円 内閣府 -SIP エネルギーキャリア / プロセス基盤技術 / 水素分離 精製グループ / アンモニア分解用メンブレンリアクターの研究開発とプロセス検討 ( 平成 26 年度 ) 5) 受託 古澤毅, 1,000 千円 小規模分散型バイオガス精製装置の開発 世界一を目指す研究開発助成事業 栃木県産業振興センター ( 平成 26 年度 ) 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 D3:1 名,D2:1 名,D1:1 名 博士前期課程 M2:5 名,M1:3 名 CDI プロジェクト関連の成果についての特記事項イ ) ベンチャー起業なしロ ) 報道なしハ ) 展示 2 件宇都宮大学企業交流会 (2014 年 9 月 8 日 ) 化粧品開発展 (2014 年 10 月 20 日 ) ニ ) 技術指導 5 件材料創製関連 ( 非公開 ) 26

33 ホログラフィックレーザー加工技術の産学連携による推進 代 表 早崎 芳夫 所属 職名 オプティクス教育研究センター 教授 連 絡 先 TEL/FAX メ ン バー 長谷川智士 特任研究員 石川慎二 博士後期課程在学中 キーワード フェムト秒 ピコ秒 ホログラム フェードバック加工 ナノ周期構造 背景および目的 世界一高スループットな超短パルスレーザー加工 光干渉計測との融合による超高精度加工 光の超並列制御による新価値レーザー加工 穴あけ加工や切断加工ガ 金属表面に数百ナノメー ナノ周期構造は偏光と垂 ラス ポリマー 半導体 トルの周期を形成し生体 直な方向に形成 透明流 に同時に1000箇所以上の 親和性や色調を改変 路中の撥水性 加工 透明材料の内部に高精細 な3次元マーキング ミラー回転 計算機ホログラム プラスチック(左 やガラス(右 の透明材料の内部に数百ナノメー トルから数マイクロメートル周期の格子を形成して 色を与えるこ とができる これは 回折格子や偏光素子として機能する 高スループット 高光利用効率 単一ショット 応力制御 エネルギーと集光深さの精 密な調整による膜剥離加工 を可能 加工対象 ステージ移動 加工対象 集光ビームによる加工後に掃除用ラインビームを照射すると 加工部周辺部のデブリが除去される 左と右の写真は掃除 用ビームを与えない場合と与えた場合ある 空間的に異なる偏光を有するベクト ルビームにより加工すると 複雑な ナノ周期構造を形成する 本技術を共同研究を通じた産業利用の推進 新しい物質の光励起法の発見とその応用開発 プロジェクトの内容 2光子造形 技術の概要 ホログラフィックレーザー加工は 計 算機ホログラムを用いてレーザービームを空間的に成 形して物質に照射することにより 単位時間あたりの 加工量を増加させる技術である 2005年,我々は世界で 初めて ホログラフィックフェムト秒レーザー加工を 実現した 技術の特徴 物質に並列にレーザー照射する技術が 単に 単位時間あたりの加工点を増やすだけでなく 加工の効率が飛躍的に向上される照射法 特許取得 やデブリクリーニング法 特許出願 を発明した 超 単パルスレーザー加工は 微細化や高精度化に加えて クラックレス内部加工や新規表面修飾加工など ナノ 秒レーザー加工では不可能であった付加価値の高い加 工を実行できる事に加えて 産業利用には不可欠であ る高スループット加工を実現する切り札として 超単 パルスレーザー加工にイノベーションを起こす 3次元光メモリー 体積ディスプレイ 期待される効果 展開 真の実用技術 現在 中京地区にある自動車関連企業 と共同研究を進め特許出願や論文執筆を行った また 東海地区の企業と 光波面制御技術の国内開発拠点の整 備 の事業と共同で実施 企業からの要望による試作加 工等を実施した さらに 平成24年度戦略的基盤技術高 度化支援事業での太田区の企業と共同して実施した こ のように ホログラフィックレーザー加工技術は 実際 の産業応用の入り口に立っており 企業への試作加工や 企業研究者の利用などを積極的に進めて 真の実用技術 として発展させる 価値の創造 同時に 本技術を拡張したベクトル波レ ーザー加工の研究も進めており 次世代の技術の種にな る科学的研究へ利用や実用加工における新しい付加価値 を与える新加工技術への展開する 27 宇都宮大学 地域共生研究開発センター イノベーション創成部門

34 プロジェクト 4 ホログラフィックレーザー加工技術の産学連携による推進 ( 担当者 ) 早崎芳夫, 長谷川智士, 石川慎二 本年度の研究成果概要 昨年度に開発した, ホログラフィックベクトル波フェムト秒レーザー加工システムを用いて, 複数のベクトルビームの 3 次元的な同時再生によるガラス内部へのナノ微細構造の一括加工を初めて実現した. 高精度ホログラム設計手法の開発により,1000 点を超える大規模な並列加工を実現した. 浜松ホトニクスと共同で, フェムト秒レーザーの照射エネルギーに対する空間光変調器の耐光性も合わせて評価した. アイシン精機との共同研究により, 新しいデブリの除去 ( レーザークリーニング ) 法の開発し, デブリ除去効率を高めるためのホログラフィック偏光デュアルレーザー加工システムを開発した. 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) Haruyasu Itoh, Satoshi Hasegawa, Yoshio Hayasaki, and Haruyoshi Toyoda, Holographic laser processing using spatial light phase modulator, The Review of Laser Engineering, Vol. 43, No. 4 (2015). (In Japanese). 2) Kazuki Sakuma, Satoshi Hasegawa, Hidetomo Takahashi, Michiharu Ota, and Yoshio Hayasaki, Holographic laser sweeper for in-process debris removal, Applied Physics B, (online first) (2015). 3) Pham Duc Quang and Yoshio Hayasaki, Optical frequency comb profilometry using a single-pixel camera composed of digital micro-mirror devices, Applied Optics, Vol. 54, Issue 1, pp. A39-A44 (2015). 4) Boaz Jessie Jackin, Hiroaki Miyata, Takeshi Ohkawa, Kanemitsu Ootsu, Takashi Yokota, Yoshio Hayasaki, Toyohiko Yatagai, and Takanobu Baba, Distributed calculation method for large pixel number holograms by decomposition of object and hologram planes, Optics Letters, Vol. 39, Issue 24, pp (2014). 5) Hirotsugu Yamamoto, Hayato Nishimura, Tetsuya Abe, and Yoshio Hayasaki, Large stereoscopic LED display by use of parallax barrier of aperture grille type, Chinese Optics Letters Vol. 12, Issue 6, (2014). 6) Satoshi Hasegawa and Y. Hayasaki, Holographic vector wave femtosecond laser processing, International Journal of Optomechatronics, Vol. 8, No. 2, pp (2014). 7) Yoshio Hayasaki and Akira Sato, Holographic three-dimensional motion detection of an optically trapped sub-100 nm gold nanoparticle, Optics Communications Vol. 322, pp (2014). 国際会議発表 (plenary lecture:pl, invited speaker:is, oral presentation:op, poster presentation:pp) 1) *IS* Yoshio Hayasaki and Quang Duc Pham, Optical frequency comb profilometry using a single pixel camera, SPIE Photonics Europe (Brussels, Belgium, April 14-17, 2014). 2) *IS* Yoshio Hayasaki, Position measurements of an optically-trapped gold nanoparticle using a twilight-filed optical microscope, 2014 Collaborative Conference on Materials Research (CCMR) (Seoul, Korea, June 23 27, 2014) 3) *IS* Yoshio Hayasaki and Quang Duc Pham, Optical frequency comb imaging using a single pixel camera, 13th Workshop on Information Optics (Neuchâtel, Switzerland July 7 11, 2014). 4) *IS* Yoshio Hayasaki, Holographic femtosecond laser processing, AOM2014 (Xi an, China, Sep , 2014). 5) *IS* Yoshio Hayasaki, Invitation to holographic femtosecond laser nanofabrication, The annual International Conference on Manipulation, Manu-facturing and Measurement on the 28

35 Nanoscale (3M-NANO), (Taipei, Taiwan, Oct, 2014). 6) *IS* Satoshi Hasegawa, Holographic vector-wave femtosecond laser processing, The annual International Conference on Manipulation, Manu-facturing and Measurement on the Nanoscale (3M-NANO), (Taipei, Taiwan, Oct, 2014). 7) *IS* Yoshio Hayasaki, Holographic Position Measurements of A Nanoparticle, Taiwan/Japan Special Session on Digital Holography in Optics & Photonics Taiwan, the International Conference (OPTIC) 2014, (National Chung Hsing University, Taichung, Taiwan, Dec. 4-5, 2014) 8) *IS* Yoshio Hayasaki and Quang Duc Pham, Optical frequency comb profilometry using a single-pixel camera composed of digital micro-mirror devices, The 4th Japan-Korea Workshop on Digital Holography and Information Photonics (DHIP 2014), (Naha, Okinses, Dec , 2014). 9) *OP* Boaz Jessie Jackin, Hiroaki Miyata, Takanobu Baba, Takeshi Ohkawa, Kanemitsu Ootsu, Takasi Yokota, Yoshio Hayasaki, Toyohiko Yatagai, A decomposition method for fast calculation of large scale CGH on distributed machines OSA Digital Holography and Three-Dimensional Imaging(DH), (Seattle, Washington, USA, July 2014). 10) *OP* Quang Duc Pham and Yoshio Hayasaki, Application of two-frequency method to optical frequency comb profilometry for a long-depth object measurement, OSA Digital Holography and Three-Dimensional Imaging(DH), (Seattle, Washington, USA, July 2014). 11) *OP* Shinji Ishikawa and Yoshio Hayasaki, Size measurement of nanostructure using digital superresolution interference microscopy, OSA Digital Holography and Three-Dimensional Imaging(DH), (Seattle, Washington, USA, July 2014). 12) *OP* Yoshio Hayasaki and Kazufumi Goto, Holographic position measurements of an optically-trapped gold nanoparticle using twilight-field microscope, International Symposium on Optomechatronic Technologies (ISOT) 2014 (Washington Univ., Seattle, USA, Nov. 5-7, 2014). 13) *PP* Kazufumi Goto and Yoshio Hayasaki, Holographic position measurement of an optically-trapped gold nanoparticle using twilight-field optical microscopy, The 4th Japan-Korea Workshop on Digital Holography and Information Photonics (DHIP 2014), (Naha, Okinses, Dec , 2014). 14) *PP* Kota Kumagai and Yoshio Hayasaki, Volumetric display with a multilayered fluorescence screen and holographic parallel optical access, The 4th Japan-Korea Workshop on Digital Holography and Information Photonics (DHIP 2014), (Naha, Okinses, Dec , 2014). 15) *PP* Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki, Holographic femtosecond laser processing with full control of phase distribution and polarization states of light, 2014 International Conference on Optomechatronic Technologies (ISOT 2014), (Seattle, USA, 5-7 November, 2014). 16) *IS* Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki, Holographic vector-wave femtosecond laser processing, The 4th International Conference on Manipulation, Manufacturing and Measurement on the Nanoscale (3M-NANO 2014), (Taipei, Taiwan, October, 2014). 17) *OP* Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki, Three-dimensional femtosecond laser processing using holographic vector-wave, The 9th International Conference on Photo-Excited Processes and Applications (ICPEPA-9), (Matsue, Japan, 30 September - 3 October, 2014). 18) *PP* Kazuki Sakuma, Satoshi Hasegawa, Hidetomo Takahashi, Michiharu Ota and Yoshio Hayasaki, Holographic laser sweep for debris removal using line-shaped beam irradiation, The 9th International Conference on Photo-Excited Processes and Applications (ICPEPA-9), (Matsue, Japan, 30 September - 3 October, 2014). 19) *OP* Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki, Holographic vector-wave femtosecond laser processing, The 15th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM 2014), (Vilnius, Lithuania, June, 2014). 20) *PP* Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki, Holographic vector wave femtosecond laser 29

36 processing, The First Smart Laser Processing Conference (SLPC) 2014, (Yokohama, Japan, April, 2014). 21) *PP* Kazuki Sakuma, Satoshi Hasegawa, Hidetomo Takahashi, Michiharu Ota and Yoshio Hayasaki, Holographic laser sweep using line-shaped beam for debris removal, The 9th International Conference on Optics-photonics Design & Fabrication (ODF) 2014, (Itabashi, Tokyo, Japan, February, 2014). 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 依頼 早崎芳夫, ファムドッククアン, 単一画素カメラを用いた光周波数コム形状計測 光設計研究グループ第 54 回研究会 ( 宇都宮大学,2014 年 7 月 25 日 ). 2) 依頼 早崎芳夫, ホログラフィックレーザー加工技術の高度化と産学連携による推進 とちぎ光産業振興協議会主催光融合技術イノベーションセンター研究成果発表会 ( マロニエプラザ, 宇都宮,2014 年 9 月 8 日 ). 3) 依頼 早崎芳夫, 若手研究者のセルフプロモーション 2014, 第 14 回情報フォトニクス研究グループ研究会 ( 秋合宿 ) ( 京都,2013 年 9 月 日 ). 4) 招待 早崎芳夫, ホログラフィックフェムト秒レーザー加工の進展, レーザー加工学会第 82 回レーザ加工学会講演会 ( 独立行政法人産業技術総合研究所臨海副都心センター別館, 2015 年 1 月 13 日 ) 5) 依頼 早崎芳夫, フェムト秒レーザーとホログラフィ, 理研セミナー, 理化学研究所仙台地区, 2015 年 2 月 4 日 ) 6) 依頼 長谷川智士, 早崎芳夫, ホログラフィックベクトル波フェムト秒レーザー加工, Optics & Photonics Japan 2014,( 筑波大学東京キャンパス文京校舎,2014 年 11 月 5-7 日 ). 他,38 件 著書, 総説, 解説等 1) 著書 Yoshio Hayasaki, Chapter 8: Holographic Three-Dimensional Measurement of an Optically Trapped Nanoparticle in Multi-dimensional Imaging (Edited by Bahram Javidi) (Wiley, February, 2014) 特許 ( 外国, 国内, 公開, 出願 ) 1) 外国 PCT(PCT/JP2014/003739), 高橋秀知 太田道治 早崎芳夫 長谷川智士, レーザ加工装置 レーザ加工方法 およびレーザ発振装置, アイシン精機, 2013 年 7 月 15 日 受賞 1) 阿部哲也, 佐久間和輝, 長谷川智士, 早崎芳夫, レーザースイープのための光ディレイラインを有するホログラフィックフェムト秒レーザー加工システム, 第 5 回電気学会東京支部栃木 群馬支所合同研究発表会にて, 優秀発表賞 を受賞.(2015 年 3 月 ). 2) Kota Kumagai,DHIP2014 Outstanding Poster paper award, (2014 年 12 月 ) 3) Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki, Holographic vector wave femtosecond laser processing, International Journal of Optomechatronics, Vol. 8, No. 2, pp (2014). 学術雑誌 International Journal of Optomechatronics にて, Koh Young Best Paper Award 2014 を受賞.(2014 年 11 月 ). 4) Kazuki Sakuma, Satoshi Hasegawa, Hidetomo Takahashi, Michiharu Ota and Yoshio Hayasaki, Holographic laser sweep for debris removal using line-shaped beam irradiation, 国際会議 30

37 The 9th International Conference on Photo-Excited Processes and Applications (ICPEPA-9) にて, Outstanding Student Paper Award (Poster) を受賞.(2014 年 9 月 ). 5) Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki, Holographic vector wave femtosecond laser processing, 国際会議 The First Smart Laser Processing Conference (SLPC) 2014 にて, Outstanding Paper Award (Poster) を受賞.(Organized by Japan Laser Processing Society) (2014 年 4 月 ). 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 奨学 公益財団法人日本板硝子材料工学助成会 平成 27 年度第 37 回国内研究助成 採択. 光波の多自由度同時制御による超短パルスベクトルビーム整形を用いた透明材料へのナノ周期構造形成とマイクロ流体デバイス作製への応用, 90 万円 (2015 年 3 月 ). 2) 奨学 公益財団法人矢崎科学技術振興記念財団 国際交流援助中期 採択. 計算機ホログラムを用いた光の偏光状態と位相分布の完全制御によるフェムト秒レーザー加工, 16 万円 (2014 年 9 月 ). 3) 共同 浜松ホトニクス, 高度光波面制御技術の産業応用に関する研究. 4) 共同 アイシン精機, フェムト秒レーザーを用いた半導体加工技術に関する研究. 5) 奨学 CKD 株式会社 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 博士前期課程 D3:1 名,D2:1 名 M2:3 名,M1:4 名 CDI プロジェクト関連の成果についての特記事項 1) 浜松ホトニクスとの共同実験を含む共著の論文を執筆する. 2) アイシン精機との共同研究で, 特許公開,PCT 出願, 共著論文掲載される 3) アイシン精機との共同研究で佐久間和樹 (M2) が国際会議 ICPEPA-9 にて,Outstanding Student Paper Award (Poster) を受賞した. さらに, 平成 26 年度宇都宮大学学生表彰を受賞, 宇都宮大学学業奨励奨学金を受賞した 4) 落合陽一 ( 東京大学 ) とホログラフィックレーザー照射による並列光アクセス型ボリュームディスプレイの共同研究を実施した. 本研究は,LAVAL virtual Award 2015 を受賞した. 5) 太田道春 (IMRA America) でホログラフィックレーザー加工装置の実装を行った. 6) 伊藤義郎教授 ( 長岡技術科学大学 ) および伊藤研究室の学生に, シリコン内部レーザー集光における球面収差の補正のための技術的な指導を行った. 7) KAIST ( 韓国 ), Ewha Women Univ. ( 韓国 ), Eindhoven Univ. Tech. ( オランダ ), Univ. Stuttgartt ( ドイツ ), 北京大学, 上海光学精密機械研究所 ( 中国 ), 国立台北科技大学 ( 台湾 ), 国立台湾師範大学 ( 台湾 ), Univ. Arizona, 理化学研究所のセミナーで講演した. 8) S. Hasegawa and Y. Hayasaki, Holographic vector wave femtosecond laser processing, Int. J. Optomecha. 8, (2014) が,Koh Young Best Paper Award 2014 を受賞した. この論文は,2015 年 4 月 1 日時点で,IJO のトップダウンロード論文である. 31

38 中赤外レーザーによる非侵襲 生体細胞観察システムの開発 代 表 東口 武史 所属 職名 工学研究科 准教授 連 絡 先 TEL: メンバー Dinh Hung Thanh, 天野玲保, 宮崎孝基 キーワード 中赤外レーザー,X 線顕微鏡, 生体細胞 背景および目的 X 線は医療分野で使われているだけでなく, 建築物や部品内部の欠陥の計測などでも使われており, 幅広い分野で活用されている.X 線 ( 波長 0.01 nm 数 10 nm) の中で, 波長 nm の領域は 水の窓 と呼ばれており, 水にほとんど吸収されない反面, 生体を構成する炭素に強く吸収される. この波長領域の X 線を使うと, 水分中の生きた細胞の内部構造をナノメートルレベルの分解能で観察することができるようになり, 新薬開発などに役立つと期待され, 生体観察の夢とされている軟 X 線顕微鏡を目指した研究が行われている. しかしながら, 水の窓領域の X 線を用いた生体細胞の撮影やタンパク質の構造解析をシングルショット, すなわちフラッシュ撮影することは未だに実現されていない. つまり, (a) 卓上型 ( 小型, 実験室レベルの大きさ ) (b) 簡便な高分解能 (50 nm 以下の分解能 ) システム (c) シングルショットでの高出力の X 線放射を同時に満たす光源 光学系を開発する必要がある. 実験室サイズに収まる小型で高輝度, 省エネルギーの水の窓軟 X 線光源による非侵襲生体細胞観察システムを世界に先駆けて開発している. このような光源顕微鏡システムに欠かせないのが中赤外レーザーシステムである. これは, これまでにない新しい方法で波長 2 11 ミクロンの中赤外レーザーを実現するものであり, かつ波長可変である. 光学定盤も 1 2 枚程度で済み, 小型である. しかしながら, 顕微鏡システムとも装置を近づけて結合試験をするだけでなく, 中赤外レーザービームそのものを農学部や幾つかの外部の組織との共同開発も進める. 本プロジェクトで開発する中赤外レーザーそのものの波長域で応用研究に供することもできるが, プラズマ光源用駆動レーザーとしても用いて, 水の窓軟 X 線顕微鏡を動かすことも目指している. 期待される効果 展開 プロジェクトの内容 本プロジェクトでは, 固体レーザーとガスレーザーを組み合わせるハイブリッドレーザーシステムを開発する. 波長変換には光パラメトリック法を用い, レーザーパルスエネルギーとパルス幅の最適化を進め, 小型化かつ高効率化を進める. 具体的には, 波長可変部とパルス幅がサブナノ秒の炭酸ガスレーザーシステムの開発を並行して進めていく. 本研究が発展することで, 生体組織や細胞を生きたままで撮影することができるようになる. また, 以下のような分野での寄与が期待できる. (1) 医療現場での生体組織 細胞観察 (2) 新薬創成 (3) 半導体の微細化に寄与するリソグラフィー露光用光源 (4) 次世代自由電子 X 線レーザーのシード光や光学系調整などの基礎実験 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門 32

39 プロジェクト 5 中赤外レーザーによる非侵襲生体細胞観察システムの開発 ( 担当者 ) 東口武史, 大橋隼人, 天野玲保 本年度の研究成果概要 (1) 高出力中赤外レーザーの開発 EUV (Extreme ultraviolet) と呼ばれる波長 13.5 nmや BEUV (beyond EUV) と呼ばれる波長 6.x nm の光は, 次世代半導体リソグラフィー用光源として, 研究されている. それらの波長を持つ光を生成する方法は多々あるが, 金属ターゲットにレーザーを照射することによって, プラズマを生成する方式 (laser-produced plasma: LPP) は, 装置の小型化や高効率化の面から利用されることが多く, 我々の研究室でも採用している.LPP に用いるレーザーには, 波長が 1.06 m の Nd:YAG レーザーを用いることが多いが, 波長が 10.6 m の CO 2 レーザーを用いると, 光学的厚みが Nd:YAG LPP と比較して薄くなることから, スペクトルの形状が大きく変わることが観測されている 1).EUV 光源の概念を拡張し, 実験室系での軟 X 線顕微鏡用光源に関する研究も進んでいる. CO 2 LPP 光源では,CO 2 レーザーを短パルス化かつ高強度化することが必要である. 一般的な発振におけるパルス幅は s 程度,Q スイッチにより ns 程度のパルス幅になるが, プラズマ光源を高温化するためには, 更なる短パルス化が必要である. 研究例が多い CO 2 レーザーであるが, 我々は EUV 光源や水の窓軟 X 線光源のプラズマ加熱用レーザーとして開発を進めている. (2) 重元素多価イオンプラズマ軟 X 線光源のスペクトルの評価水の中の生きたままの生体細胞をシングルショット撮影できる卓上型水の窓軟 X 線 ( 波 長 nm) 顕微鏡の実現を目標として, 中赤外レーザーを用いるレーザー生成重元素多 価イオンプラズマ高輝度光源を開発している. 重元素プラズマ光源の高輝度化のためには, UTA (unresolved transition array) スペクトル構造を最適化する必要があり, 光源の放射過程を明らかにする必要がある. 水の窓軟 X 線出力は, nm の波長範囲におけるスペクトルの波長積分に対応する. レーザーの強度が同程度のとき, 40 Zr や 42 Mo の出力は, 79 Au, 82Pb, 83 Bi よりも強く, レーザー強度を変えた場合も同様の傾向であった. (3) 水の窓軟 X 線顕微鏡の構築水の窓軟 X 線を用いた生体細胞の撮影をシングルショット, すなわちフラッシュ撮影することは小型の実験室規模では未だに実現されていないのが現状であり, 水の窓軟 X 線光源には単一ショットで撮影できる明るさと照射時間を短くすることも求められている. しかしながら,1 パルスあたりのエネルギーが小さいため, 多重ショットを駆使して試料撮影が行われており, 撮影には最短でも 1 分程度を要している. このため, ターゲットを氷結固定化などの工夫を施さなければならない状況にある. このような中, 重元素多価イオンプラズマによる UTA スペクトル光源が実験室規模の光源になり得るのではないかと考えており, 軟 X 線顕微鏡との接続試験を行っている. 33

40 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) Hayato Ohashi, Takeshi Higashiguchi, Yuhei Suzuki, Goki Arai, Yukitoshi Otani, Toyohiko Yatagai, Bowen Li, Padraig Dunne, Gerry O Sullivan, Weihua Jiang, Akira Endo, Hiroyuki A. Sakaue, Daiji Kato, Izumi Murakami, Naoki Tamura, Shigeru Sudo, Fumihiro Koike, and Chihiro Suzuki, Quasi-Moseley s law for strong narrow bandwidth soft x-ray sources containing higher charge-state ions, Applied Physics Letters, Vol. 104, pp (2014) 2) Kensuke Yoshida, Shinsuke Fujioka, Takeshi Higashiguchi, Teruyuki Ugomori, Nozomi Tanaka, Hayato Ohashi, Masato Kawasaki, Yuhei Suzuki, Chihiro Suzuki, Kentaro Tomita, Ryoichi Hirose, Takeo Ejima, Masaharu Nishikino, Atsushi Sunahara, Enda Scally, Bowen Li, Tatsuya Yanagida, Hiroaki Nishimura, Hiroshi Azechi, and Gerry O Sullivan, Efficient extreme ultraviolet emission from multiple laser-produced one-dimensional spherical plasmas, Applied Physics Express, Vol. 7, pp (2014) 3) Amitava Roy, Goki Arai, Hiroyuki Hara, Takeshi Higashiguchi, Hayato Ohashi, Atsushi Sunahara, Bowen Li, Padraig Dunne, Gerry O'Sullivan, Taisuke Miura, Tomas Mocek, and Akira Endo, Evolution of laser-produced Sn extreme ultraviolet source diameter for high-brightness source, Applied Physics Letters, Vol. 105, pp (2014) 4) Takeshi Higashiguchi, Mami Yamaguchi, Takamitsu Otsuka, Takeshi Nagata, Hayato Ohashi, Bowen Li, Rebekah D'Arcy, Padraig Dunne, and Gerry O'Sullivan, Enhancement of the extreme ultraviolet emission from a potassium plasma by dual laser irradiation, Review of Scientific Instruments, Vol. 85, pp (2014) 5) Chihiro Suzuki, Fumihiro Koike, Izumi Murakami, Naoki Tamura, Shigeru Sudo, Hiroyuki Sakaue, Nobuyuki Nakamura, Shigeru Morita, Motoshi Goto, Daiji Kato, Tomohide Nakano, Takeshi Higashiguchi, Colm Harte, and Gerry O'Sullivan, EUV spectroscopy of highly charged high Z ions in the Large Helical Device plasmas, Physica Scripta, Vol. 89, pp (2014) 6) Thanh-Hung Dinh, Yuhei Suzuki, Ryouichi Hirose, Hiroyuki Hara, Hayato Ohashi, Padraig Dunne, Gerry O Sullivan, Atsushi Sunahara, and Takeshi Higashiguchi, Development of a volume-limited dot target for a high brightness extreme ultraviolet microplasma source, Review of Scientific Instruments, Vol. 85, pp (2014) 7) Toshitaka Wakayama, Takeshi Higashiguchi, Hiroki Oikawa, Kazuyuki Sakaue, Masakazu Washio, Motoki Yonemura, Toru Yoshizawa, J. Scott Tyo, and Yukitoshi Otani, Determination of the polarization states of an arbitrary polarized terahertz beam: Vectorial vortex analysis, Scientific Reports, Vol. 5, pp (2015) 8) Kensuke Yoshida, Shinsuke Fujioka, Takeshi Higashiguchi, Teruyuki Ugomori, Nozomi Tanaka, Masato Kawasaki, Yuhei Suzuki, Chihiro Suzuki, Kentaro Tomita, Ryoichi Hirose, Takeo Ejima, Hayato Ohashi, Masaharu Nishikino, Atsushi Sunahara, Bowen Li, Padraig Dunne, Gerry O Sullivan, Tatsuya Yanagida, Hiroshi Azechi, and Hiroaki Nishimura, Density and x-ray emission profile relationships in highly ionized high-z laser-produced plasmas, Applied Physics Letters (accepted for publication) 9) Gerry O Sullivan, Bowen Li, Padraig Dunne, Paddy Hayden, Deirdre Kilbane, Ragava Lokasani, Elaine Long, Hayato Ohashi, Fergal O Reilly, John Sheil, Paul Sheridan, Emma Sokell, Chihiro Suzuki, Elgiva White, and Takeshi Higashiguchi, Sources for Beyond Extreme Ultraviolet Lithography and Water Window Imaging, Physica Scripta (accepted for publication) 10) Chihiro Suzuki, Fumihiro Koike, Takeshi Higashiguchi, Izumi Murakami, Naoki Tamura, Shigeru Sudo, Elgiva White, John Sheil, Elaine Long, Fergal O Reilly, Emma Sokell, Padraig Dunne, and Gerard O Sullivan, Systematic observation of EUV spectra from heavy ions in optically thin and thick plasmas, Physica Scripta (accepted for publication) 11) Hayato Ohashi, Takeshi Higashiguchi, Yuhei Suzuki, Goki Arai, Bowen Li, Padraig Dunne, Gerry O Sullivan, Hiroyuki A. Sakaue, Daiji Kato, Izumi Murakami, Naoki Tamura, Shigeru Sudo, Fumihiro Koike, and Chihiro Suzuki, Characteristics of x-ray emission from optically thin high-z plasmas in soft x-ray region, Journal of Physics B (accepted for publication) 34

41 12) Gerry O'Sullivan, Bowen Li, Rebekah D Arcy, Padraig Dunne, Paddy Hayden, Deirdre Kilbane, Tom McCormack, Hayato Ohashi, Fergal O'Reilly, Paul Sheridan, Emma Sokell, Chihiro Suzuki, and Takeshi Higashiguchi, Spectroscopy of highly charged ions and its relevance to EUV and soft x-ray source development for lithography, Journal of Physics B (accepted for publication) 13) H. Ohashi, T. Higashiguchi, Y. Suzuki, M. Kawasaki, C. Suzuki, K. Tomita, M. Nishikino, S. Fujioka, A. Endo, B. Li, T. Otsuka, P. Dunne, and G. O Sullivan, Characteristics of extreme ultraviolet emission from high-z plasmas, Journal of Physics: Conference Series (accepted for publication) 国際会議発表 (plenary lecture: PL, invited speaker IS, oral presentation: OP, poster presentation: PP) 1) *PP*, Hiroyuki Hara, Goki Arai, Yuhei Suzuki, Hayato Ohashi, Takeshi Higashiguchi, and Atsushi Sunahara, Radiation hydrodynamic simulation of a high-brightness 13.5-nm EUV microplasma by use of a dot target, Photomask Japan 2014 (7s-17, Annex Hall, Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan ( )) 2) *PP*, Takeshi Higashiguchi, Yuhei Suzuki, Masato Kawasaki, Goki Arai, and Hayato Ohashi, Beyond extreme ultraviolet sources for next generation lithography, Photomask Japan 2014 (7s-18, Annex Hall, Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan ( )) 3) *IS*, Takeshi Higashiguchi, Laser-produced multi-charged heavy ions as efficent soft x-ray sources, The 5th China-Japan-Korea Joint Seminar on Atomic and Molecular Processes in Plasma (AMPP2014) (7-2 (invited), Northwest Normal University, Lanzhou, China ( )) 4) *PL*, Takeshi Higashiguchi, Efficient laser driven sources at EUV, BEUV & water window soft X-ray wavelengths, ELI BEAMLINES AND HILASE SUMMER SCHOOL 2014 (seminar 13, Students Halls of Residence, Patkova, Prague, Czech Republic ( )) 5) *IS*, Takeshi Higashiguchi, Recent progress of the CO 2 and fiber lasers, HiLASE RP1 seminar (HiLASE Centre, ( チェコ科学アカデミー物理部門 ), Prague, Czech Republic ( )) 6) *PP*, Hayato Ohashi, Hiroaki Ito, Yuhei Suzuki, Goki Arai, Bowen Li, Gerry O Sullivan, Fumihiro Koike, Chihiro Suzuki, and Takeshi Higashiguchi, Tunable narrowband soft x-ray sources with laser-produced high-z plasmas, 5th Euro-Arian Pulsed Power Conference (EAPPC 2014) (P2-65, Kumamoto University, Kumamoto, Japan ( )) 7) *OP*, Chihiro Suzuki, Fumihiro Koike, Takeshi Higashiguchi, Izumi Murakami, Naoki Tamura, Shigeru Sudo, Elgiva White, John Sheil, Elaine Long, Fergal O Reilly, Emma Sokell, Padraig Dunne, and Gerard O Sullivan, Systematic observation of EUV spectra from heavy ions in optically thin and thick plasmas, 9th International Conference on Atomic and Molecular Data and Their Applications (ICAMDATA) (A-a01, Abbeanum Lecture Hall, University of Jena, Jena, Germany ( )) 8) *PL*, Gerry O'Sullivan, Padraig Dunne, Paddy Hayden, Bowen Li, Ragava Lokasania, Elaine Long, Hayato Ohashi, Fergal O'Reilly, John Sheil, Emma Sokell, Chihiro Suzuki, Elgiva White, and Takeshi Higashiguchi, Sources for beyond extreme ultraviolet lithography and water window imaging, 9th International Conference on Atomic and Molecular Data and Their Applications (ICAMDATA) (I-07 (Invited), Abbeanum Lecture Hall, University of Jena, Jena, Germany ( )) 9) *PP*, Reiho Amano, Thanh Hung Dinh, Masato Kawasaki, Atsushi Sasanuma, Yuhei Suzuki, Takeshi Higashiguchi, and Taisuke Miura, Efficient EUV sources by short CO 2 laser-produced plasmas, 2014 International Workshop on EUV and Soft X-Ray Sources (S21 (Poster), University College Dublin, Dublin, Ireland ( )) 10) *PP*, Goki Arai, Hiroyuki Hara, Yuhei Suzuki, Thanh Hung Dinh, and Takeshi Higashiguchi, A microplasma high-brightness EUV source at 13.5 nm, 2014 International Workshop on EUV and Soft X-Ray Sources (S22 (Poster), University College Dublin, Dublin, Ireland 35

42 ( )) 11) *PP*, Hiroyuki Haya, Goki Arai, Takanori Miyazaki, Thanh-Hung Dinh, Takeshi Higashiguchi, and Atsushi Sunahara, Radiation hydrodynamic simulation of a high-brightness 13.5-nm EUV microplasm, 2014 International Workshop on EUV and Soft X-Ray Sources (S33 (Poster), University College Dublin, Dublin, Ireland ( )) 12) *PP*, Yuhei Suzuki, Goki Arai, Takanori Miyazaki, Thanh-Hung Dinh, and Takeshi Higashiguchi, Quasi-Moseley s law for UTA spectra in high-z highly ion charge states for high power EUV & soft x-ray sources, 2014 International Workshop on EUV and Soft X-Ray Sources (S43 (Poster), University College Dublin, Dublin, Ireland ( )) 13) *PP*, Takanori Miyazaki, Yuhei Suzuki, Thanh Hung Dinh, and Takeshi Higashiguchi, Possibility of high-z plasma water window sources, 2014 International Workshop on EUV and Soft X-Ray Sources (S61 (Poster), University College Dublin, Dublin, Ireland ( )) 14) *OP*, Hayato Ohashi, Takeshi Higashiguchi, Yuhei Suzuki, Goki Arai, Bowen Li, Padraig Dunne, Gerry O Sullivan, Hiroyuki A. Sakaue, Daiji Kato, Izumi Murakami, Naoki Tamura, Shigeru Sudo, Fumihiro Koike, and Chihiro Suzuki, Characteristics of soft x-ray emission from optically thin high-z plasmas in Large Helical Device, 2014 International Workshop on EUV and Soft X-Ray Sources (S92 (Poster), University College Dublin, Dublin, Ireland ( )) 15) *IS*, Gerry O Sullivan, Padraig Dunne, Paddy Hayden, Bowen Li, Ragava Lokasani, Elaine Long, Hayato Ohashi, Fergal O Reilly, John Sheil, Emma Sokell, Chihiro Suzuki, Elgiva White, and Takeshi Higashiguchi, Sources for Water Window Imaging, 2014 International Workshop on EUV and Soft X-Ray Sources (S64 (Invited Review Talk), University College Dublin, Dublin, Ireland ( )) 16) *PL*, Gerry O Sullivan, Padraig Dunne, Paddy Hayden, Bowen Li, Ragava Lokasani, Elaine Long, Hayato Ohashi, Fergal O Reilly, John Sheil, Emma Sokell, Chihiro Suzuki, Elgiva White, and Takeshi Higashiguchi, Welcome and Overview of recent work on soft-ray emission spectroscopy, ISCA Japan-Ireland Workshop on extreme ultraviolet source development for lithography, surface morphology and biological imaging (14:00, University College Dublin, Dublin, Ireland ( )) 17) *OP*, Hayato Ohashi, Takeshi Higashiguchi, Yuhei Suzuki, Goki Arai, Nobuyuki Nakamura, Bowen Li, Padraig Dunne, Gerry O Sullivan, Hiroyuki A. Sakaue, Daiji Kato, Izumi Murakami, Naoki Tamura, Shigeru Sudo, Fumihiro Koike, and Chihiro Suzuki, Tunable extreme ultraviolet and soft x-ray narrowband sources with laser produced high-z plasmas, ISCA Japan-Ireland Workshop on extreme ultraviolet source development for lithography, surface morphology and biological imaging (16:45, University College Dublin, Dublin, Ireland ( )) 18) *IS*, Takeshi Higashiguchi, Recent progress in Utsunomiya University: Development of compact, 10-Hz short pulse CO 2 laser system for EUV & soft x-ray sources, ISCA Japan-Ireland Workshop on extreme ultraviolet source development for lithography, surface morphology and biological imaging (9:00, University College Dublin, Dublin, Ireland ( )) 19) *IS*, Takeshi Higashiguchi, Efficeint EUV/soft x-ray sources and their applications, レーザープラズマ発生材料に関するミニシンポジウム (16:00 [ 招待講演 ], 東京工業大学すずかけ台キャンパス ( 神奈川県横浜市 ) ( )) 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 依頼 東口武史 重元素によるレーザー生成多価イオンプラズマ光源とその応用, 多摩シンポジウム Tokyo-EBIT 20 周年に向けて ( 依頼講演, 電気通信大学レーザー新世代研究センター 7 階大会議室 ( 東京都調布市 ) ( )) 2) 依頼 東口武史 水の窓 波長域のレーザー生成プラズマ光源の開発, 軟 X 線による細胞内形態解析 研究会 アポトーシス細胞を中心として ( 依頼講演, 宮城 36

43 蔵王ロイヤルホテル ( 宮城県刈田郡蔵王町 ) ( )) 3) 招待 東口武史 重元素による高効率 EUV 軟 X 線プラズマ光源とその応用, プラズマ科学のフロンティア 研究会 ( 依頼講演, 核融合科学研究所 ( 岐阜県土岐市 ) ( )) 4) 依頼 東口武史 重元素プラズマによる EUV 軟 X 線光源開発, 2014 年度原子分子データ応用フォーラムセミナー (14:00-14:30, 核融合科学研究所シミュレーション科学研究棟 1 階会議室 ( 岐阜県土岐市 ) ( )) 招待, 東口武史 (Takeshi Higashiguchi) プラズマ EUV 光源の高効率化とその応用 (Efficient plasma EUV source and its application), Plasma Conference 2014 (Plasma 2014) [ 日本物理学会 ( 領域 2)2014 年秋季大会 / 応用物理学会プラズマエレクトロニクス分科会第 32 回プラズマプロセシング研究会 / プラズマ 核融合学会第 31 回年会 ] (S15-6 [ シンポジウム招待講演 ], 朱鷺メッセ ( 新潟県新潟市 ) ( )) 5) 招待 鈴木千尋, 村上泉, 小池文博, 田村直樹, 須藤滋, 坂上裕之, 中村信行, 森田繁, 後藤基志, 加藤太治, 仲野友英, 東口武史,Colm S. Harte,Gerry O'Sullivan (Chihiro Suzuki, Izumi Murakami, Fumihiro Koike, Naoki Tamura, Shigeru Sudo, Hiroyuki A. Sakaue, Nobuyuki Nakamura, Shigeru Morita, Motoshi Goto, Daiji Kato, Tomohide Nakano, Takeshi Higashiguchi, Colm S. Harte, and Gerry O'Sullivan) LHD プラズマを用いた高 Z 元素多価イオンの EUV 分光と原子モデルの構築 (EUV Spectroscopy and Atomic Model of Highly Charged Ions of High Z Elements Using LHD Plasmas), Plasma Conference 2014 (Plasma 2014) [ 日本物理学会 ( 領域 2)2014 年秋季大会 / 応用物理学会プラズマエレクトロニクス分科会第 32 回プラズマプロセシング研究会 / プラズマ 核融合学会第 31 回年会 ] (21pC-2-1 [ 招待講演 ], 朱鷺メッセ ( 新潟県新潟市 ) ( )) 6) 一般 鈴木悠平, 大橋隼人, 荒居剛己, 宮崎孝基, Thanh-Hung Dinh, Gerry O'Sullivan, 江偉華, 遠藤彰, 坂上裕之, 加藤太治, 村上泉, 田村直樹, 須藤茂, 小池文博, 鈴木千尋, 東口武史 レーザープラズマ UTA 放射光源の原子番号依存性, レーザー学会, 第 469 回研究会 レーザー ビーム パルスパワー技術による Beyond EUV 光源 (GS-c, 大和川酒造昭和館 ( 福島県喜多方市 ) ( )) 7) 一般 Dinh Thanh-Hung, 天野玲保, 笹沼淳史, 荒居剛己, 川崎将人, 藤井雄介, 高橋昭彦, 中村大輔, 岡田龍雄, 牧村哲也, 三浦泰祐, 東口武史 高効率軟 X 線光源駆動用短パルス CO 2 レーザーの開発, レーザー学会, 第 469 回研究会 レーザー ビーム パルスパワー技術による Beyond EUV 光源 (GS-e, 大和川酒造昭和館 ( 福島県喜多方市 ) ( )) 8) ポ レーザー生成マイクロプラズマによる高輝度 EUV 光源の放射特性, 荒居剛己, 原広行, ヂンタンフン, 砂原淳, 三浦泰祐, 遠藤彰, 東口武史, 第 15 回レーザー学会東京支部研究会,P-20, 東海大学高輪キャンパス ( 東京都港区 ) ( ). 9) 一般 ゲルマニウム多価イオンの EUV 放射特性, 原広行, ヂンタンフン, 大橋隼人, 坂上裕之, 鈴木千尋, 加藤太治, 村上泉, 東口武史, 第 62 回応用物理学関係連合講演会,11p-A26-15, 東海大学湘南キャンパス ( 神奈川県平塚市 ) ( ). 10) 一般, 高輝度 EUV 光源の放射特性, 荒居剛己, 原広行, ヂンタンフン, 砂原淳, 三浦泰祐, 遠藤彰, 東口武史, 第 62 回応用物理学関係連合講演会,11p-A26-16, 東海大学湘南キャンパス ( 神奈川県平塚市 ) ( ). 他 20 件 37

44 著書, 総説, 解説等 1) 東口武史, 藤岡慎介, 鵜篭輝之, 吉田健祐, 田中のぞみ, 鈴木悠平, 川崎将人, 大橋隼人, 江島丈雄, 廣瀬僚一, 鈴木千尋, 富田健太郎, 砂原淳, 錦野将元, 激光 XII 号レーザーを用いた EUV-BEUV 光源プラズマデータベースの構築, レーザーエネルギー学研究センター, 平成 25 年度共同研究成果報告書,pp (2014) 2) Gerry O Sullivan, Padraig Dunne, Paddy Hayden, Bowen Li, Elaine Long, Hayato Ohashi, Fergal O Reilly, Paul Sheridan, Emma Sokell, Chihiro Suzuki, and Takeshi Higashiguchi, Soft X-ray and EUV Sources, レーザー学会, 第 469 回研究会,RTM-14-58,pp. 3-7 (2014) 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 科研 基盤研究 (C), 平成 24 ~ 26 年度, 高原子番号多価イオンを用いる高効率水の窓 X 線帯域放射光源の開発 4,100 千円 ( 直接経費 ) (H24 : 2,900 千円,H25 : 900 千円, H26 : 300 千円 ), 代表者 : 東口武史 2) 奨学 ( 株 ) サムスン横浜研究所, 東口准教授の研究に対する寄付,3,000 千円 3) 共同 ギガフォトン( 株 ), 極端紫外光を発生するプラズマの基盤研究,1,000 千円 4) 共同 核融合科学研究所, 多価イオンの価数分離スペクトルの測定と実験室光源への応用,280 千円 5) 共同 核融合科学研究所, 多価イオンプラズマによる水の窓 EUV スペクトルの最適,480 千円 6) 共同 大阪大学レーザーエネルギー学研究センター, 激光 XII 号レーザーを用いた EUV-BEUV 光源プラズマデータベースの構築,240 千円 7) 共同 大阪大学レーザーエネルギー学研究センター, 重元素による軟 X 線 EUV 光源プラズマの放射流体解析と CR モデルの改良,110 千円 8) 共同 東北大学多元物質科学研究所, 水の窓 炭素の窓 のレーザープラズマ光源の開発 9) 共同 独立行政法人日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究部門先進ビーム技術研究ユニット X 線レーザー応用研究グループ, 水の窓高輝度軟 X 線発生に関する基礎研究 10) 共同 その他: 筑波大学, 電気通信大学, 九州大学 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程博士前期課程 D3:0 名,D2:0 名,D1:2 名 M2:2 名,M1:4 名 CDI プロジェクト関連の成果についての特記事項イ ) ベンチャー起業 0 件ロ ) 報道 8 件製造現場ドットコム東口武史, 大澤科学技術振興財団が 平成 26 年度助成費贈 38

45 呈式 を開く (2014 年 11 月 29 日 ) プレスリリース ( 宇都宮大学, 埼玉医科大学, 早稲田大学 ) 東口武史, 任意の偏光を持つテラヘルツ光の解析法を開発 (2015 年 3 月 24 日 ) 共同通信社, 宮崎日日新聞, 福井新聞, 紀伊新聞など東口武史, 任意の偏光を持つテラヘルツ光の解析法を開発 (2015 年 3 月 25 日 ) マイナビニュース, テクノロジー東口武史, 宇都宮大など 任意の偏光を持つテラヘルツ光の解析法を開発 (2015 年 3 月 25 日 ) Yahoo! Japan ニュース東口武史, 宇都宮大など, 任意の偏光を持つテラヘルツ光の解析法を開発 (2015 年 3 月 26 日 ) SankeiBiz 東口武史, 任意の偏光を持つテラヘルツ光の解析法を開発 (2015 年 3 月 26 日 ) HPC ソリューション ( 技術情報 科学ニュース ) 東口武史, 任意の偏光を持つテラヘルツ光の解析法を開発 (2015 年 3 月 30 日 ) 日刊工業新聞東口武史, 任意の偏光を持つテラヘルツ光の解析法を開発 (2015 年 4 月 26 日 ) ハ ) 展示 2 件第 8 回宇都宮大学企業交流会ヂンタンフン, 宮崎孝基, 東口武史, 生体観察用中赤外レーザーの開発 (2014 年 9 月 8 日 ) 第 8 回宇都宮大学企業交流会宮崎孝基, ヂンタンフン, 東口武史, 生体細胞観察用卓上型軟 X 線顕微鏡の開発 (2014 年 9 月 8 日 ) ニ ) 技術指導 0 件 39

46 人工合成ダイヤモンドを用いた環境センシング 浄化技術 代表吉原佐知雄所属 職名宇都宮大学大学院工学研究科学際先端システム学専攻 准教授連絡先 TEL: FAX: メンバー吉原佐知雄 石川祥久 (D3) 石橋翔太 (M2) 浅沼健太 (M1) 柴沼亮佑 (M1) キーワードダイヤモンド 導電性 電位窓 電気二重層充電電流 安定性 バンドギャップ 背景および目的 宝石としてよく知られているダイヤモンドはマイクロ波プラズマ CVD(Chemical Vapor Deposition) 法により低圧 低温条件下において容易に成膜が可能である CVD 法ダイヤモンド膜の炭素源は普通の炭素を含む有機物質であり ホウ素をドープすることにより半導体 導電性ダイヤモンド膜の作製が可能である この薄膜は 高硬度 高屈折率といった天然ダイヤモンドの物理的特性を保持したまま 特異な電気化学特性を示す 特に 水溶液中において酸素 水素過電圧が非常に大きい ( 広い電位窓 ) さらには 電気二重層充電電流が極めて低い ( 小さい残余電流 ) といった性質を持つ したがって CVD 法によるダイヤモンドはその物理的特性 化学的安定性を有しながら導電性を制御できることから 電気化学分野においても HOPG やグラッシーカーボンなど sp 2 炭素材料に次ぐ 次世代の炭素電極材料としての活用が応用が期待できる さらには ダイヤモンド薄膜表面にナノ触媒材料を付与することで機能性電極材料 光デバイスとしての応用の検討がなされている 本研究では マイクロ波プラズマ CVD 法でダイヤモンドを成膜し そのたダイヤモンドを電極として用いて あらゆる応用について検討を行っている プロジェクトの内容 (1) 表面修飾導電性ダイヤモンド膜は物理的 化学的に優れた特性を有しており その電気化学的特性の 1 つとして広い電位窓を有することから電解合成 さらには生体適合性を有することから生体関連への応用が期待されている CVD 法により成膜されたダイヤモンド表面は水素終端構造となり得意な性質を有することからダイヤモンド表面を改質することにより新たな機能性界面を構築することができる 本研究室では 世界で初めてボロンドープダイヤモンドを用いた電気化学 QCM 基板の開発に成功している 1) ことから ボロンドープダイヤモンド表面を化学修飾することで生体分子を固定化することにより 新たな機能性の付与とともに QCM の特性を利用したバイオセンシングへの応用ならびに検討を行っている (2) 電気化学センサー導電性ダイヤモンドをダイヤモンド QCM(Quartz Crystal Microbalance) として用い 様々な表面改質ダイヤモンドにおける 機能性分子の電気化学挙動を検討を行っている その結果 各表面改質ダイヤモンドにおいて特異性が見られることが明らかになっている 本研究の結果 CVD ダイヤモンドは電気センサーとして 従来使われているグラッシーカーボンと比較し 付加価値を持った新たな材料として優れていることが判明した (3) 有害物質分解中国 インドをはじめとする発展途上国では生活排水等に由来する湖沼の水質汚濁により生態系破壊が累進的に加速しており安全な水資源を確保することも困難な状態にある 汚水には 人体に有害とされる有機酸 化学物質が含まれている 本研究では これらの有害物質の分解として電解という方法を検討している 従来の電気分解に使用される丈夫な電極として白金が挙げられる しかし 白金に限らずとも強力な酸化力のある溶液を循環させ使用すると電極消耗が問題となってくる そこでボロンドープダイヤモンドは物理的 化学的 更には電気化学的特異性を有することから 白金に代わる電極材料として期待されている 引用文献 1) 特許第 号 吉原佐知雄 朝比奈俊輔 張延栄 白樫高史 ダイヤモンド QCM の作製方法及びそのダイヤモンド QCM 期待される効果 展開 40 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門

47 プロジェクト 6 人工合成ダイヤモンドを用いた環境センシング 浄化技術 ( 担当者 ) 吉原佐知雄, 中澤育子, 石川祥久 本年度の研究成果概要本研究では RF 電池において通常用いられる炭素製電極に代わり 化学的安定性が高く 高温 高電圧など過酷な環境下での使用も可能である導電性ダイヤモンドの一種であるボロンドープダイヤモンド (BDD) を電極として使用し サイクリックボルタンメトリー (CV) 測定を用いて検討した 1.5 M VOSO4-2.0 M H2SO4 水溶液中での CV より V(IV) V (V) 及び V(II) V(III) の反応について考察を行った 電位走査速度 50 [mv/s] および 100 [mv/s] で測定し 各電流ピークについて電流密度と電位走査速度の平方根との関係をプロットし その律速過程について考察した さらに BDD 電極の表面酸化の影響などについても検討した 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) 永島正毅, 吉原佐知雄,( ハイドロキノン吸着活性炭電極と硫酸ゲルを用いた電気二重層キャパシタの開発とその評価, Electrochemistry, 82(6), (2014)) 2) 片山正彦, 吉原佐知雄, 清野正三, 君塚亮一,( ダイレクトレーザービア工程において発生する銅オーバーハングの磁気研磨法による新規除去技術の検討, エレクトロニクス実装学会誌, 17(4), (2014)) 3) 伊達和宏, 吉原佐知雄, 野澤純一, 野尻尚克, ( 金めっき浴中における銅不純物の電解除去による管理技術, エレクトロニクス実装学会誌, 17(5), (2014)) 国際会議発表 (plenary lecture: PL, invited speaker IS, oral presentation: OP, poster presentation: PP) 1) *OP* Sachio Yoshihara, Daisuke Suzuki, Kazuyoshi Suzuki, Kenta Asanuma, Electrode Performance of Newly Developed Ni-W-P Deposited Alloy for Alkaline Water Electrolysis, The 65th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry Ubiquitous Electrochemistry ( 電子媒体のみ ), Lausanne, Switzerland ( ) 2) *IS* Sachio Yoshihara, Recent Trends in Diamond Electrochemistry, The 10th International Symposium on Electrochemical Micro & Nanosystem Technologies (EMNT2014) ( 電子媒体のみ ), Okinawa Convention Center (OCC), Okinawa, Japan ( ) (Invited lecture) 41

48 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 基調 吉原佐知雄, 及川渉, 石川祥久, 鈴木和芳, 鈴木大介, アモルファスめっきの工業的応用に関する研究, 日本金属学会 2015 年春期大会, 東京,(2015) 2) 一般 石橋翔太, 吉原佐知雄, 石川祥久, 及川渉, アルミニウム基板上への先進型鉄系めっき技術に関する検討 ( 第 6 報 ), 表面技術協会第 130 回講演大会講演要旨集, pp , 京都 (2014). 3) 一般 浅沼健太, 吉原佐知雄, 鈴木大介, 鈴木和芳, Ni-W,Ni-P 及び Ni-W-P 合金めっき電極のアルカリ水電解におけるカソード特性に関する研究,2014 年電気化学秋季大会,p. 56, 北海道 (2014). 4) 一般 久保田賢治, 関下明日香, 吉原佐知雄, 松本克才, 銅のエッチングレートに結晶方位が与える影響, 第 24 回マイクロエレクトロニクスシンポジウム論文集, 85-88, 大阪 (2014). 5) ポ 斉藤陽輔, 吉原佐知雄, 太陽エネルギー貯蔵のためのボロンドープダイヤモンド電極を用いたバナジウム系レドックスフローバッテリーに関する基礎的検討, 第 2 1 回光触媒シンポジウム講演要旨集, pp , 東京 (2014). 6) 一般 斉藤陽輔, 吉原佐知雄, ボロンドープダイヤモンド電極を用いたバナジウム系レドックスフローバッテリーに関する基礎的検討, 日本化学会講演要旨集 ( 電子媒体のみ ), 千葉 (2015). 7) 一般 石川祥久, 吉原佐知雄, 石橋翔太, 及川渉, アルミニウム基板上への先進型鉄系めっき技術に関する検討 ( 第 7 報 ), 表面技術協会第 131 回講演大会講演要旨集, pp , 神奈川 (2015). 8) 一般 吉原佐知雄, 高橋潤, 清野正三, 君塚亮一, 銅めっき膜のウェットエッチング特性に関する電気化学 QCM 解析, 表面技術協会第 131 回講演大会講演要旨集,pp , 神奈川 (2015). 9) 一般 柴沼亮佑, 吉原佐知雄, 銅ダマシン法により作製した半導体デバイス用配線材料の交流インピーダンス法による信頼性解析, 第 29 回エレクトロニクス実装学会春季講演大会講演要旨集 ( 電子媒体のみ ), 東京 (2015). 10) 一般 涌田俊亮, 吉原佐知雄, 石堂慎士, 野尻尚克, プリント配線基板製造工程におけるエッチング時に発生する孔食現象の交流インピーダンス法によるモニタリング, 第 29 回エレクトロニクス実装学会春季講演大会講演要旨集 ( 電子媒体のみ ), 東京 (2015). 他 1 件 特許 ( 外国, 国内, 公開, 出願 ) 1) 国内 取得, 発明者 ; 鈴木大介 鈴木友也 吉原佐知雄 石川祥久 ( 出願人 ; バンテック, 国立大学法人宇都宮大学, 日本プレーテック ), アルカリ水電解用電極, その 42

49 製造方法及び水素発生装置 特願 ( 出願日 ; 平成 23 年 1 月 27 日特 許 号 ( 取得日 ; 平成 27 年 2 月 27 日 ) 受賞 1) 吉原佐知雄, エレクトロニクス実装学会,JPCA2014 アカデミックプラザ賞 プリント配線板にかかわるめっき技術 技術 信頼性解析技術 (2014 年 6 月 ) 2) 久保田賢治,MES2014 研究奨励賞 銅のエッチングレートに結晶方位が与える影響 (2014 年 9 月 ) 3) 石橋翔太, 学生 & 企業研究会, カナメ賞 アルミニウム基板上への先進型鉄系めっき技術に関する検討 (2014 年 12 月 ) 4) 浅沼健太, 学生 & 企業研究会, 研究奨励賞 Ni-W,Ni-P 及び Ni-W-P 合金めっき電極のアルカリ水電解におけるカソード特性に関する研究 (2014 年 12 月 ) 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 共同 吉原佐知雄,1200 千円 エレクトロニクス実装技術に係るめっき技術, 大昌電子 ( 平成 26 年 ) 2) 共同 吉原佐知雄,1,000 千円 半導体デバイスにおけるエレクトロマイグレーションの交流インピーダンス法による解析, 半導体理工学研究センター共同研究 IS テーマ ( 平成 26 年 ) 3) 奨学 吉原佐知雄,500 千円 エレクトロニクス実装技術に関する委託研究, JCU, ( 平成 26 年 ) 4) 奨学 吉原佐知雄,300 千円 明電舎材料研究部奨学寄付金, 明電舎 ( 平成 26 年 ) 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 D3:1 名,D2:0 名,D1:0 名 博士前期課程 M2:1 名,M1:2 名 CDI プロジェクト関連の成果についての特記事項イ ) ベンチャー起業 0 件ロ ) 報道 0 件ハ ) 展示 4 件 JPCA Show2014 吉原佐知雄, プリント配線板にかかわるめっき技術 技術 信頼性解析技術 (2014 年 6 月 ) 第 8 回宇都宮大学企業交流会株式会社バンテック, 吉原佐知雄, Ni-W, Ni-P 及び Ni-W-P 合金めっき電極のアルカリ水電解におけるカソード特性に関する研究 43

50 (2014 年 9 月 8 日 ) 学生 & 企業研究発表会石橋翔太, アルミニウム基板上への先進型鉄系めっき技術に関する検討 (2014 年 12 月 6 日 ) 学生 & 企業研究発表会, 浅沼健太 Ni-W,Ni-P 及び Ni-W-P 合金めっき電極のアルカリ水電解におけるカソード特性に関する研究 (2014 年 12 月 6 日 ) ニ ) 技術指導 2 件県内企業 (2014 年 ) 44

51 工農連携実用化 機械創成プロジェクト 代表尾崎功一所属 職名工学研究科機械知能工学専攻 教授連絡先 TEL: FAX: メンバー柏嵜勝准教授, 川上勝講師, 原紳助教, 青山リエ技術補佐員, 井上一道, 江口純司, 田崎隆男, 桃田浩行, 赤井直紀, 阿部有貴キーワードロボティクスロボット技術 (RT) 農業機械生物生産システム看護学看護工学 背景および目的 学術的成果を社会に還元し, 経済の発展に寄与するためには, 将来を想定した研究開発とともにその成果をビジネスにおけるシーズに育て上げ 高い経済価値へと自らデザインしていく活動が必要となる. そこで本プロジェクトでは, これまで培ってきた基礎的研究と先端研究を実践する技術力とともに異分野を融合することによって経済価値の高いアプリケーションを自ら創出することを目指す. その実現のための基本方針を以下とし, プロジェクトを進めていく. 1. 逆転的着想によるオリジナルなアイディア創出を重視し, パテントスコアの高い特許出願を継続的に行う. 2. 理論構築だけでなく実装も重視し, アイディア ( 特許 学術知見 ) の実現可能性を一般にも分かる形で立証する. 3. 共同研究や異分野メンバーとの応用研究を積極的に展開し, 新規アイディア ( 特許 ) の普及を促進する. プロジェクトの内容 図 1 本学オリジナルの特許 知見 技術 本プロジェクトではこれまで培ってきた知見 特許 技術 ( 図 1) を活かし, 工農連携課題と工医看融合課題に挑戦する. 1) 工農連携課題イチゴの生産から出荷まで行う統合型生産システムの構築および実用化を目指す. 新開発イチゴ容器 ( 特許技術 ) の改良と, 搬送シミュレーション ( 振動等 ) 試験や温度 湿度変化等による耐環境試験を実施する. さらに, 品種改良である育種技術 ( 花粉操作 ) の基礎システム構築や検査装置の開発 試験を実施する ( 図 2). 2) 工医看融合課題介護支援システムの実用化を目指す ( 図 3). これは自治医大との共同開発 ( 共同出願 ) したシステムで, 睡眠者の体動から覚醒時間を推定できる. ケアハウスでの実用化試験を目指し, 振動モニタリング試験, 被験者による基礎データ収集を行う. 図 2 花粉操作図 3 介護支援システム期待される効果 展開本学オリジナルの知見 技術を活かし分野横断的な連携をすることによって, 大学自らが新たなシーズをデザインすることが可能となり, 本プロジェクトによって, 高付加価値な新産業 新市場を開拓し, 大学の学術的成果を社会に提供できる. また, 工農医看, さらには人文 社会科学 企業などの様々な異分野と接触する中で, 将来, 産業界などで活躍できる博士課程等の学生を育成できる場の提供も可能となる. さらには, 企業化に結びつけ, 産業への展開も期待できる. 45 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門

52 プロジェクト 7 工農連携実用化 機械創成プロジェクト ( 担当者 ) 柏嵜勝, 原紳, 青山リエ, 川上勝, 井上一道, 赤井直紀, 阿部有貴 ( 登録者の氏名 ) 尾崎功一 プロジェクト研究成果概要基礎研究の実践と先端研究の技術力とともに異分野の融合によって, 高い経済価値を自ら創出することを目指し, プロジェクトを実施した. 本稿ではマイクロマニピュレーションおよび自律移動ロボットに関して 26 年度の特出した成果として述べる.μmオーダの領域は重力 表面間力などが混在し, 微細作業が難しく, さらに光学的問題から三次元計測が困難である. 我々は輪郭ボケによる奥行距離推定を開発し,μマニピュレーションの自動化を達成した. 実環境を自律的に走行できるロボット開発を目指して, つくばチャレンジ 2014 に参加した. 参加全 50 台のロボットのうち, 課題を達成できたのは 4 台のみであり, その中の 1 台が我々のロボット SARA であった. つくばチャレンジで培った技術を実用的に活用することを目指し, 公道での実験が可能なつくばモビリティロボット実験特区での実験を開始した. 工農連携に関しては, 完熟イチゴを完全な状態で長距離輸送するパッケージ技術を完成させた. これについては宇都宮大学発のベンチャー企業 ( 尾崎プロジェクトとしては2 例目 ) を設立し, 製品技術の量産化および 12 月からの一般販売を開始した. 以上の活動は多くのメディアにも取り上げられた. 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) 赤井直紀, 山内健司, 井上一道, 宇内隆太郎, 山本条太郎, 尾崎功一 ( つくばチャレンジ 2013 の課題を題材とした実環境におけるタスク遂行ロボットの開発, 計測自動制御学会論文集,vol. 51, no. 1, pp , 2014) 2) Kazumichi Inoue, Naoki Akai, and Koichi Ozaki (Development of a personal mobility robot "NENA", Journal of Robotics and Mechatronics, vol. 26, no. 5, p. 659, 2014) 3) Naoki Akai, Kazumichi Inoue, Sam Ann Rahok, Masatoshi Shinohara, and Koichi Ozaki 46

53 (Autonomous mobile robot MAUV -Mission achievement on Tsukuba Challenge 2011, 12 and 13-, Journal of Robotics and Mechatronics, vol. 26, no. 5, pp , 2014) 4) Naoki Akai, Sam Ann Rahok, Kazumichi Inoue, and Koichi Ozaki (Development of magnetic navigation method based on distributed control system using magnetic and geometric landmarks, ROBOMECH Journal, 1:21, 2014) 5) Naoki Akai, Kazumichi Inoue, and Koichi Ozaki (Autonomous navigation based on magnetic and geometric landmarks on environmental structure in real world, Journal of Robotics and Mechatronics, vol. 26, no. 2, pp , 2014) 6) Kenji Yamauchi, Naoki Akai, Ryutaro Unai, Kazumichi Inoue, and Koichi Ozaki. (Person detection method based on color layout in real world robot challenge 2013, Journal of Robotics and Mechatronics, vol. 26, no. 2, pp , 2014) 7) 赤井直紀,Sam Ann Rahok, 片寄浩平, 島田遼, 井上一道, 尾崎功一 ( 磁場の実験的解析に基づく磁気ナビゲーション法の実装, 日本ロボット学会誌, vol. 32, no. 4, pp , 2014) 8) Junji Eguchi and Koichi Ozaki (Development of the autonomous mobile robot for target-searching in urban areas in the Tsukuba Challenge 2013, Journal of Robotics and Mechatronics, vol. 26, no. 2, pp , 2014) 国際会議発表 (plenary lecture: PL, invited speaker IS, oral presentation: OP, poster presentation: PP) 1) Kenji Yamauchi, Naoki Akai, and Koichi Ozaki (Precise color extraction method based on color transition due to change in exposure time, Proceedings of the IEEE/SICE International Symposium on System Integration, SaP1E.1, Tokyo Japan, 2014) 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 阿部有貴, 金井海渡, 大澤茂治, 尾崎功一 ( 衝突防止機能を有したジェスチャ入力操作によるマイクロマニピュレーション,ROBOMEC2014,3A1-L06, ポスター発表, 富山, 2014) 2) 中村拓哉, 高橋庸平, 赤井直紀, 阿部有貴, 尾崎功一 ( 空気圧シリンダを用いて 2 関節筋を再現した 2 足歩行ロボットの開発,ROBOMEC2014,1A1-Q03, ポスター発表, 富山, 2014) 3) 赤井直紀, 尾崎功一 ( 磁場ノイズを用いた自己位置推定法の有用性検証とそれに基づく自律移動法に関する考察, 日本ロボット学会学術講演会,3J1-07, 一般発表, 福岡,2014) 4) 阿部有貴, 大沢茂治, 金井海渡, 小笠原亮大, 尾崎功一 ( マイクロマニピュレータを用いた花粉選別のための自動把持解放の提案, 日本ロボット学会学術講演会,1P3-06, 一般発表, 福岡,2014) 47

54 5) 赤井直紀, 山内健司, 山本条太郎, 佐藤圭, 米山翔悟, 柿木泰成, 宇内隆太郎, 井上一道, 尾崎功一 ( 広域空間の地場地図生成法,SI2014 第 15 回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会講演概要集,1F2-1, 一般発表, 東京,2014) 6) 柿木泰成, 井上一道, 赤井直紀, 宇内隆太郎, 山内健司, 山本条太郎, 佐藤圭, 米山翔悟, 尾崎功一 ( 機能性を有する移動ロボットの外観設計,SI2014 第 15 回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会講演概要集,1F3-3, 一般発表, 東京,2014) 7) 阿部有貴, 金井海渡, 大澤茂治, 小笠原亮大, 尾崎功一 ( 単眼マイクロ視における弱視差領域での輪郭ボケを用いたマイクロマニピュレーション, 第 20 回ロボティクスシンポジア,pp , 一般発表, 長野,2014) 8) 戸羽省吾, 川上勝, 阿部有貴, 野沢翔馬, 尾崎功一 ( 看護支援のための体動検知による臥床状態把握システムの開発,2015 年精密工学会春期大会,K21 643, 一般発表, 神奈川, 2014) 9) 小笠原亮大, 阿部有貴, 金井海渡, 大澤茂治, 尾崎功一 ( 輪郭ボケ幅を利用した奥行推定法による微小物体の自動把持 開放,2015 年精密工学会春期大会,L18 735, 一般発表, 神奈川,2014) 10) 金井海渡, 小笠原亮大, 阿部有貴, 大澤茂治, 尾崎功一 ( 動的輪郭法を用いた微小物体の開放認識,ViEW2014 ビジョン技術の実利用ワークショップ講演概要集,IS1-18, ポスター発表, 神奈川,2014) 著書, 総説, 解説等 1) 大学から見たものづくり 尾崎功一, あしぎん経済月報, あしぎん総合研究所 (2014) 受賞 1) つくば市長賞, つくばチャレンジ 2014 の課題達成により,2014 2) 宇都宮機器賞, 名久井理登, 井上知行,2014 3) 足利銀行賞, 熊谷秀樹, 青木啓, 上地泰樹, 橋本大河, 岩上真奈,2014 4) 冠賞 栃木信用金庫理事長賞, 戸羽省吾, 川上勝, 阿部有貴, 野澤翔馬,2014 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 D3:2 名,D2:2 名,D1:0 名 博士前期課程 M2:7 名,M1:7 名 CDI プロジェクト関連の成果についての特記事項イ ) ベンチャー起業 1 件尾崎功一, 柏嵜勝, 寺門孝 工農技術研究所 ロ ) 報道 19 件 48

55 ROBOCON magazine 尾崎功一, つくばチャレンジ 2013 (2014 年 3 月 1 日 ) 常陽新聞尾崎功一, モビリティロボット実験特区での移動ロボット実証実験 (2014 年 3 月 7 日 ) 常陽新聞尾崎功一, 移動ロボ実証実験 (2014 年 3 月 8 日 ) 下野新聞尾崎功一, 宇都宮大大学院 つくばで移動ロボットの実証実験 (2014 年 3 月 8 日 ) 日本経済新聞 ( 電子版 ) 尾崎功一, 宇都宮大学 1 人乗りロボットの公道実験つくばの特区で (2014 年 3 月 8 日 ) 日本経済新聞尾崎功一, 宇都宮大学 1 人乗りロボットの公道実験つくばの特区で (2014 年 3 月 8 日 ) Yahoo! ニュース尾崎功一, 宇都宮大学 1 人乗りロボットの公道実験つくばの特区で (2014 年 3 月 8 日 ) 茨城新聞 (Web 版 ) 尾崎功一, 移動ロボ実証実験宇都宮大 つくば特区で (2014 年 3 月 9 日 ) つくばもん尾崎功一, 宇都宮大が移動ロボを実証実験/ つくば特区で (2014 年 3 月 10 日 ) 日刊工業新聞尾崎功一, 宇都宮大 搭乗型移動支援ロボ始動-つくばロボ特区で実証 (2014 年 3 月 27 日 ) NHKとちぎ 640 尾崎功一, 県内に在住する人をターゲットにしたニュース番組 (2014 年 4 月 1 日 ) 読売新聞尾崎功一, 地磁気 利用ロボット走行 (2014 年 7 月 14 日 ) 茨城新聞尾崎功一, 磁気を感知 自律走行宇都宮大車輪付きロボ開発 (2014 年 10 月 20 日 ) 朝日新聞尾崎功一, あんなロボできたらいいな自分で考えて進む イチゴが培った技術宇都宮大 (2014 年 11 月 26 日 ) NHKラジオ尾崎功一, 栃木の 食 を支える学生たち (2014 年 12 月 1 日 ) 日経グローカル尾崎功一, 迫られる 地方創生 への機能強化 (2014 年 12 月 29 日 ) 日刊工業新聞尾崎功一, 宇都宮大学教授らが農工融合ベンチャー 工農技術研究所 (2014 年 12 月 29 日 ) フジテレビ尾崎功一, めざましテレビ MORE SEVEN (2014 年 11 月 17 日 ) ハ ) 展示 2 件 Japan Robot Week 尾崎功一, 移動ロボット (2014 年 10 月 15 日 ~17 日 ) アグリビジネス創出フェア尾崎功一, いちご収穫 (2014 年 11 月 12 日 ~14 日 ) 49

56 木質バイオマスの改質ガス化 トリジェネ利用システムの研究開発 代 表 有賀一広 所属 職名 農学部 准教授 連 絡 先 TEL: FAX: メンバー 古澤毅 ( 工学研究科 助教 ) キーワード 森林バイオマス収穫 分散型ガス化エネルギー転換装置 背景および目的 本研究の背景は 平成 20 年度から栃木県那須野ヶ原地域で行っている水源林の整備と間伐促進による森林バイオマスの活用及び林業と農業が連携した地域資源の循環利用を具体化するための地元農業団体 企業 本研究者による 那須野ヶ原モデル の構築を目的とした取組である 木質バイオマスのエネルギー利用促進には 森林バイオマスの安定調達と分散型ガス化エネルギー転換装置の開発が最重要課題である 前者に関しては地元森林組合 製材会社 NPO 法人により調達体制が確立している一方で 後者に関しては コンパクトで高性能なガス化 エネルギー変換装置の実用化にむけた触媒改質ガス化技術の開発が必須である 本研究では木質バイオマスの従来型ガス化炉の後段に 脱硫処理塔 タール NH 3 分解反応器と CO 2 吸収塔を組み込むことによりガス化率 75%, H 2 /CO 比 =2 のバイオガスを高収量で製造し 電力 熱に加えて エタノール燃料の地域供給を可能とする木質バイオマスの高機能改質ガス化技術の基盤研究を学内および学外グループメンバー * と共同で行う * 金蔵法義 ( ユア エネルギー開発株式会社 代表取締役 ) 市川勝 ( 北海道大学 名誉教授 ) 金築佳奈江 ( ユア エネルギー開発株式会社 常務執行役員 ) プロジェクトの内容 木質バイオマスの改質ガス化炉で副生する不純物 (H 2 S, タール, NH 3 ) の高効率除去 および生成ガス中 CO 2 を選択的に吸収することでエタノール合成に適したガス組成を供給することを第一の目的とする 不純物の高効率除去に関しては H 2 S の選択的分解による S の回収と H 2 製造 タール NH 3 の同時分解による CO, H 2, CO 2 を含むガスへの転換を想定し 各段階に適用可能な材料の開発が検討事項である 一方 CO 2 選択吸収に関しては 材料は決定しており システムとしての最適化が検討事項となる これらの検討結果から ガス化率 75% タール 2% 以下 H 2 /CO 比 =2 の目標を達成するバイオガス精製プロセスを確立し 精製した合成ガス (CO, H 2 ) の燃焼によって発電 熱利用するだけでなく エタノール合成も行い トリジェネ利用システムを開発することが第二の目的である 最終的に木質バイオマスの分散型ガス化エネルギー転換方法を提案する 期待される効果 展開 本事業で提案する 木質バイオマスの分散型ガス化エネルギー転換方法 は 那須野ヶ原地域で進行中の地域再生プロジェクトで課題となっている 分散型ガス化エネルギー転換装置の開発 の一翼を担うため プロジェクト推進の後押しになると期待される また 栃木県内で収集する木質系バイオマスを原料とする発電システムに導入可能であるため 適用範囲は広く これを契機に栃木県内での再生可能エネルギーの導入に拍車がかかると期待される さらに 日本全国で同様の性状を有するバイオマス原料を用いている場合 バイオガス精製プロセスの導入が可能であり 日本全国での再生可能エネルギー導入の一助になる可能性も秘め 波及効果は大きいと考える 50 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門

57 プロジェクト 8 木質バイオマスの改質ガス化 トリジェネ利用システムの研究開発 ( 担当者 ) 有賀一広, 古澤毅 本年度の研究成果概要木質バイオマスのエネルギー利用促進には 森林バイオマスの安定調達と分散型ガス化エネルギー転換装置の開発が最重要課題である 前者に関しては地上 LiDAR 計測により 森林バイオマスの安定調達を検討するために必要となる森林資源をこれまでよりも正確に推定する手法を構築した 後者に関しては コンパクトで高性能なガス化 エネルギー変換装置の実用化にむけた触媒改質ガス化技術を開発するために バイオマスのガス化反応と生成ガス組成等の把握 模擬ガスあるいはガス化反応の生成ガスからの H2S 選択分解 タール NH3 同時分解触媒の性能評価 CO2 選択吸収の性能評価を行った 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) R. Yamaguchi, K. Aruga, M. Nagasaki, Estimating the annual supply potential and availability of timber and logging residue using the forest management records of the Tochigi prefecture, Japan, Journal of Forest Research 19(1), (2014) 2) C. Nakahata, K. Aruga, M. Saito, Examining the optimal bucking method to maximize profits in commercial thinning operations in Nasunogahara area, Tochigi Prefecture, Japan, Croatian Journal of Forest Engineering 35(1), (2014) 3) C. Nakahata, K. Aruga, R. Uemura, M. Saito, K. Kanetsuki, Examining the optimal method to extract logging residues from small-scale forestry in the Nasunogahara area, Tochigi prefecture, Japan, Small-scale Forestry 13(2), (2014) 4) K. Aruga, A. Murakami, C. Nakahata, R. Yamaguchi, M. Saito, T, Yoshioka, Estimating annual available amounts of forest biomass resources with total revenues and costs during the 60-year rotation in a mountainous region in Japan, Croatian Journal of Forest Engineering 35(2), (2014) 5) R. Yamaguchi, K. Aruga, A. Murakami, C. Nakahata, M. Saito, M. Nagasaki, Effects of stand conditions on annual availability of logging residue estimated using forest management records in Tochigi prefecture, Japan, FORMATH 13, (2014) 6) C. Nakahata, R. Uemura, M. Saito, K. Kanetsuki, K. Aruga, Estimating harvesting costs and projecting available amounts of logging residues with small-scale forestry in Nasushiobara, Tochigi Prefecture, Japan, Journal of Forestry Research, 25(4), (2014) 51

58 7) H. Yamato, A. Nihei, Y. Kawamura, F. Kurayama, T. Furusawa, M. Sato, N. Suzuki, Degradation of organic silane monolayers on silicon wafer during XPS measurement, J. Surf. Anal., 20(3), (2014) 8) T. Furusawa, F. Kurayama, H. Handa, R. Kadota, M. Sato, N. Suzuki, Transesterification of rapeseed oil with methanol using CaO and active carbon powders encapsulated microcapsule under the light irradiation, Appl. Catal. A, 475, (2014) 9) R. Watanabe, Y. Fujita, T. Tagawa, K. Yamamoto, T. Furusawa, C. Fukuhara, Pd-supported LaCoO3 catalyst with structured configuration for water gas shift reaction, Appl. Catal. A, 477, (2014) 10) T. Furusawa, Y. Kadota, A. Matsuzuka, F. Kurayama, N. M. Bahadur, M. Sato, N. Suzuki, Surface modification of silica coated ZnO nanoparticles with 3-aminopropyltriethoxysilane by microwave-assisted method and its effect on the properties of coated samples, J. Chem. Eng. Jpn., 47(12), (2014) 国際会議発表 (plenary lecture:pl, invited speaker:is, oral presentation:op, poster presentation:pp) 1) *OP* N. Akaike, R. Uemura, K. Aruga, Investigating the commercial thinning operation and examining a 3-m bucking system by the Takahara Forest Owners Co-operative, in the Tochigi prefecture, Japan, FORMATH, Akita (2014) 2) *PP* R. Uemura, K. Aruga, K. Kanetsuki, Estimating availability of logging residues using forest management records at aggregated stands of Nasushiobara city in Tochigi prefecture, Japan, FORMATH, Akita (2014) 3) *OP* C. Nakahata, K. Aruga, M. Saito, Appling the optimal bucking method to maximize profits on Nasunogahara area, Tochigi Prefecture, Japan, IUFRO World Congress, Salt lake (2014) 4) *OP* C. Nakahata, K. Aruga, M. Saito, Forest biomass supply chains: Practice, economics, and energy balance in Tochigi prefecture, Japan, IUFRO World Congress, Salt lake (2014) 5) *PP* M. Watanabe, T. Furusawa, T. Matsumoto, M. Sato, N. Suzuki, Methanolysis of rapeseed oil to biodiesel fuel with CaO and amorphous N-doped TiO2 powders encapsulated microcapsule under the light irradiation, TOCAT7, Kyoto, (2014) 6) *PP* F. Kurayama, H. Tamura, S. Miyamoto, K. Kimura, T. Furusawa, M. Sato, N. Suzuki, Preparation of photoactive organic-inorganic hybrid microcapsules with zinc porphyrin and enzyme, 2014 International Conference on Artificial Photosynthesis (ICARP2014), Awaji, Hyogo, (2014) 52

59 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 一般 赤池成実, 藤巻幸歩, 水庭誼子, 有賀一広, トーセン那珂川工場への燃料供給の現状と課題, 日本森林学会, 大宮ソニックシティ (2014) 2) 一般 有賀一広, 東克哉, 伊藤崇之, 鹿島潤, 宇都宮大学船生演習林における林内作業時の粉塵環境について, 日本森林学会, 大宮ソニックシティ (2014) 3) ポ 松英恵吾, 山崎光, 冨田咲伎, 執印康裕, 有賀一広, 田坂聡明, 航空機 LiDAR データによる森林資源管理システムを活用した森林モニタリング, 日本森林学会, 大宮ソニックシティ (2014) 4) ポ 上村僚, 有賀一広, 田坂聡明, たかはら地域における団地化を考慮した収穫可能量推定モデルの構築, 日本森林学会, 大宮ソニックシティ (2014) 5) ポ 水庭誼子, 有賀一広, 上村僚, 栃木県下の素材生産業者における皆伐作業の生産性 コスト分析, 日本森林学会, 大宮ソニックシティ (2014) 6) 一般 有賀一広, 藤巻幸歩, 水庭誼子, 上村僚, 那須町森林組合における皆伐再造林による林業経営の持続可能性, 森林利用学会, 東京農業大学 (2014) 7) 一般 大和弘之, 仁平淳史, 井上哲哉, 倉山文男, 古澤毅, 佐藤正秀, 鈴木昇,XPS 測定時におけるフッ素系有機シラン薄膜の試料損傷の検討, 第 129 回表面技術協会講演大会, 東京理科大学 (2014) 8) ポ 高野健, 古澤毅, 松本太輝, 佐藤正秀, 鈴木昇, 含フッ素有機化合物分解固定化用 CaO/ ナノポーラスシリカ多層膜フィルターの創製, 第 79 回化学工学会年会, 岐阜大学, (2014) 9) ポ 佐藤晶, 古澤毅, 志波幸, 倉山文男, 佐藤正秀, 鈴木昇,2 種類の触媒内包型マイクロカプセルを用いた 2 段階反応による BDF 合成, 第 79 回化学工学会年会, 岐阜大学, (2014) 10) 一般 倉山文男, 田村弘幸, 江田沙也加, 古澤毅, 佐藤正秀, 鈴木昇, 酵素を内包した有機 - 無機ハイブリッドビーズの新しい作成法, 第 79 回化学工学会年会, 岐阜大学, (2014) 他 9 件 著書, 総説, 解説等 1) 著書 佐藤正秀, 古澤毅, 鈴木昇, プリンテッドエレクロニクス用導電性 ( ナノ ) インクの設計 開発とプロセス最適化, サイエンス & テクノロジー,pp (2014) 2) 著書 F. Kurayama, T. Furusawa, N. M. Bahadur, M. Sato, N. Suzuki, Handbook on Oil Production Research, Nova Science Publisher, Inc., pp (2014) 3) 著書 古澤毅, 倉山文男, 佐藤正秀, 鈴木昇, マイクロ / ナノカプセルの調製カプセル 徐放性制御と応用事例, 技術情報協会,pp (2014) 53

60 4) 総説 古澤毅, 倉山文男, 佐藤正秀, 鈴木昇,CaO 触媒 / 光熱変換物質内包型マイクロカプセルを用いた光エネルギー駆動型 BDF 合成反応, 触媒,56(5), (2014) 5) 総説 倉山文男, 古澤毅, 佐藤正秀, 鈴木昇, 有機 - 無機マイクロカプセルへの酵素等のナノ触媒の固定化, 化学工業,66(1), (2015) 6) 解説 有賀一広, 木質バイオマス発電への燃料供給の展望と課題, 森林技術,866, (2014) 7) 解説 有賀一広, 木質バイオマスのエネルギー利用, 宇都宮大学環境報告書,5-6 (2014) 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 科研 有賀一広, 吉岡拓如,5,460 千円 経済分析による森林バイオマス利用可能量算定モデルの構築とエネルギー収支分析 ( 平成 24~26 年 ) 2) 科研 古澤毅,4,030 千円 太陽光を光源とする新規 CaO 触媒内包型マイクロカプセルを用いた BDF の製造 ( 平成 22~23 年 ) 3) 科研 古澤毅,4,940 千円 光エネルギー駆動型液相反応用カプセル型マイクロリアクターの開発 ( 平成 26~28 年 ) 4) 受託 佐藤剛史, 古澤毅,1,400 千円 アンモニア分解用メンブレンリアクターの研究開発とプロセス検討 JST-ALCA( 平成 26 年 ) 5) 受託 佐藤剛史, 古澤毅,12,000 千円 アンモニア分解用メンブレンリアクターの研究開発とプロセス検討 内閣府 -SIP( 平成 26 年 ) 6) 受託 古澤毅, 有賀一広,1,000 千円 小規模分散型バイオガス精製装置の開発 栃木県産業振興センター 世界一を目指す研究開発助成事業 ( 平成 26 年 ) 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 D3:0 名,D2:0 名,D1:0 名 博士前期課程 M2:1 名,M1:0 名 CDI プロジェクト関連の成果についての特記事項イ ) ベンチャー起業なしロ ) 報道なしハ ) 講演 & 展示 5 件石油学会九州 沖縄地区講演会, 古澤毅, 触媒/ 光熱変換物質内包型マイクロカプセルを用いた光エネルギー駆動型 BDF 合成反応 (2014 年 11 月 14 日 ) 出張講義 栃木県立真岡高等学校, 古澤毅, バイオマスって何? 使えるエネルギー源 (2014 年 11 月 20 日 ) 化学工学会エネルギー部会熱利用分科会第 3 回若手セミナー, 古澤毅, 触媒/ 光熱変換 54

61 物質内包型カプセルを用いた光エネルギー駆動型 BDF 合成反応 (2014 年 11 月 28 日 ) 農業講演会 矢板高校, 有賀一広, 木質バイオマスを利用した地域資源の活用 (2015 年 1 月 20 日 ) 第 16 回バイオマス変換触媒セミナー, 有賀一広, 栃木県北地域における燃料材供給の現状と課題 (2015 年 3 月 6 日 ) ニ ) 技術指導 1 件日光市バイオマス推進協議会委員 (2014 年 9 月 1 日 ~2016 年 8 月 31 日 ) 55

62 自己組織化を基軸とする界面制御技術の開発と機能性界面の創成 代表飯村兼一所属 職名工学研究科 准教授連絡先 TEL: FAX: キーワード表面 界面 自己組織化 両親媒性分子 ナノ粒子 選択的吸着 背景および目的 全ての物体は 必ず界面で他と接しており その界面における分子配向や集合構造によって さまざまな機能が発現されている 例えば 産業分野における材料表面の濡れ性や接着性 摩擦 潤滑 異種物質の可溶化 コーティング あるいはナノ粒子の合成や分散性など 実に多くの機能が界面特性によって支配されている 一方 生体にも 細胞膜に代表される種々のバイオインターフェースが存在し それらの界面における分子の自己組織化や 界面を介した物質 情報の授受によって生命活動が支えられている 本プロジェクトは 先端ナノテクノロジーにおける基盤技術であり生体における高度な機能の根幹を担う界面現象のメカニズムの解明や それらの現象を利用した新規表界面構造の創出 さらにその表界面構造を利用した機能開拓を目的としている 気 / 液や固 / 液 液 / 液界面では それらの場の性質とそこに置かれた分子 粒子間の物理的 化学的な相互作用により 様々な微視的構造体が自発的に形成される 界面における自己組織化現象に基づき ナノ ~ マクロまでの異なるスケールの界面現象を巧みに制御 最適化するための理論的手法の開拓と それらの構造体を利用した光電変換等の機能発現や機能性分子 材料の開拓研究を行う プロジェクトの内容 手法によって領域選択的に垂直成長した構造体 (VGS) を形成させる技術を確立する これまでに VGS を形成する幾つかの反応系を明らかにしてきたが 本プロジェクトでは 更なる反応系の開拓と より高次の形態形成と制御を目指す (3) 機能性界面の構築と応用 評価 光電変換能を有する半導体分子やタンパク質 あるいは特定の目的のために開発された界面活性剤などの界面における集積や配列化を利用した機能性界面を構築する ここでは 必要に応じて前述の単分子 ( 粒子 ) 膜における自己組織化構造や VGS を利用することにより目的物質を計画的に目的とする位置 空間に配置する手法を見出すとともに 形成された界面の機能を評価する また 生体模倣膜に対する薬剤や界面活性剤の吸着現象の系統的研究により 生体作用の物理化学的メカニズムを解明し それらの化合物の機能性向上のための指針を得る (1) 単分子 ( 粒子 ) 膜における自己組織化構造 界面の自己組織化構造体における両親媒性分子やナノ粒子の充填状態と形成メカニズムを明らかにするとともに 構造体の形やサイズ 分布などの形態学的特徴を制御する手法を明らかにする (2) 表面構造を鋳型とした三次元構造体 上述の表面構造を鋳型として用い ボトムアップの 期待される効果 展開 分子 粒子の自己組織化を利用した規則構造の構築と制御技術は ナノ科学の発展のために必須なキーテクノロジーである 本プロジェクトからは 界面の場の効果を利用した新規なナノアーキテクチャーの構築法や 界面活性分子の機能性評価のためのプラットホームの開発などが期待される 得られる知見は広く界面科学の発展に寄与する 56 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門

63 プロジェクト 9 自己組織化を基軸とする界面制御技術の開発と機能性界面の創成 ( 担当者 ) 飯村兼一 本年度の研究成果概要本プロジェクトは 様々な界面現象のメカニズム解明やそれらの現象を利用した新規な表界面構造の創出と機能開拓を目的としている 本年度は 水素結合性化合物による展開単分子膜において 成膜パラメータの制御により数十 nm 幅の細線状に発達した構造体が形成されることを明らかにした また 生体界面を模倣したモデル分子膜に対する界面活性物質の吸着現象 構造の解析 表面処理微粒子を用いた界面配列膜の作製 両親媒性半導体化合物による光電変換膜の作製と評価などを推進した 原著論文 1) H. Kondo, K. Iimura, Effect of Partially Fluorinated Alkyl Chain on Friction and Surface Energy, Bull. Chem. Soc. Jpn., 87, (2014). 国際会議発表 1) *OP* K. Iimura, A. Yanagisawa, A. Ogata, I. Oishi, M. Aono, I. Hirosawa, Adsorbed Films of Surfactants at Water/Solid Interfaces Studied by X-ray Reflectometry an Grazing-incidence X-ray Diffractometry, The 15th IUMRS-International Conference in Asia (IUMRS-ICA 2014), Fukuoka (2014). 2) *PL* T. Shimura, Y. Takahashi, K. Iimura, S. Yamada, Y. Takahashi, Dependency of Ethylene Oxide Chain Length on Penetration Behavior of Sodium Lauryl Ether Sulfates to Lipid Langmuir Monolayers, The 15th IUMRS-International Conference in Asia (IUMRS-ICA 2014), Fukuoka (2014). 国内研究発表 1) 一般 高橋雄也, 志村僚, 飯村兼一, 山田真爾, 高橋豊, 生体膜モデル脂質分子膜に対する界面活性剤の吸着特性, 第 65 回コロイドおよび界面化学討論会, 東京 (2014) 2) 一般 藤本開, 飯村兼一, 椛島真一郎, 吉川功, 荒木孝二, 両親媒性スルファミド誘導体の展開単分子膜における凝縮相形態制御に関する研究, 第 65 回コロイドおよび界面化学討論会, 東京 (2014) 3) ポ 志村僚, 高橋雄也, 飯村兼一, 山田真爾, 高橋豊, 生体膜モデル脂質膜に対するラウリル硫酸ナトリウム誘導体の吸着挙動評価, 第 65 回コロイドおよび界面化学討論会, 東京 (2014) 4) ポ グエンチィーミアン, 奈須野恵理, 加藤紀弘, 飯村兼一, 表面修飾シリカ微粒子 57

64 を用いた展開法による2 次元コロイド結晶の作製, 第 65 回コロイドおよび界面化学討論, 東京 (2014) 5) ポ 大石泉, 青野恵, 飯村兼一, 柳沢文佳, 尾形葵, 廣沢一郎, 固 / 水界面におけるヘアコンディショナーの吸着膜構造の XR および GIXD によるその場測定, 第 11 回 SPring-8 産業利用報告会, 姫路 (2014) 6) 一般 Miah MD Jalil,Shahabuddin Mohammad,Salim Mohammad,Karikomi Michinori, Nasuno, Eri,Kato Norihiro,Iimura Ken-ichi,Fabrication of LB monolayers of Oxa[9]- helicene Derivatives and Their Photo- electrochemical properties, 日本化学会第 95 春季年会, 船橋 (2015) 7) 一般 志村僚, 高橋雄也, 飯村兼一, 山田真爾, 高橋豊, ラウリル硫酸ナトリウム誘導体の細胞膜モデル脂質分子膜に対する吸着特性, 日本化学会第 95 春季年会, 船橋 (2015) 8) 一般 柳沢文佳, 飯村兼一, 大石泉, 青野恵, 廣沢一郎, 固 / 水界面における界面活性剤の吸着分子膜構造解析, 日本化学会第 95 春季年会, 船橋 (2015) 9) 招待 分子膜の化学と界面制御, 界面に関するアドバンスセミナー 2015, 東京 (2015) 著書, 総説, 解説等 1) 解説 飯村兼一, バイオインターフェースモデルとしての分子組織膜の構造研究, 埋もれた界面のX 線 中性子解析アウトルック 2014,pp.27-28(( 公社 ) 応用物理学会埋もれた界面の X 線 中性子解析研究会 )(2014). 2) 解説 飯村兼一, 単分子膜不均一構造の解析, 埋もれた界面のX 線 中性子解析アウトルック 2014,pp.29-30(( 公社 ) 応用物理学会埋もれた界面の X 線 中性子解析研究会 )(2014). 外部資金 1) 奨学 飯村兼一, 活性剤会合体が形成する固体薄膜の構造解析に関する研究 ライオン ( 株 )( 平成 24 年 ) 2) 共同 飯村兼一, 界面活性剤混合系の Gibbs 単分子膜の基礎物性の解析 花王 ( 株 ) ( 平成 24 年 ) 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 D2:1 名 博士前期課程 M2:3 名,M1:3 名 58

65 分光偏光イメージング技術開発プロジェクト 代 表 大谷幸利 所属 職名 オプティクス教育研究センター 連 絡 先 TEL: FAX: メンバー 前田勇,David Serrano,Geliztle Alejandra Parra Escamilla, 柴田秀平 キーワード 偏光計測, 欠陥計測, バイオイメージング, 偏光蛍光, 蛍光標識 DNA 背景および目的 ナノメートル オーダーの傷や表面欠陥の評価が求められている. 一般に,AFM や電子顕微鏡が用いられるが, 測定領域が狭く計測時間も要していた. 我々はその評価方法として, 光学的な手法で高速化を試みる. また, 蛍光タンパク質や蛍光標識 DNA に対する蛍光の偏光状態を解析することで 生体分子間相互作用や細胞状態の解析法が期待できる. 本プロジェクトの目的は, ナノからメートルオーダーまでの形状計測, 時間的変化を追いかけるトラッキング技術, 分光偏光技術を用いた材料特性を捉えることが出来るハイパー ハイスピード ストークス イメージング ( 分光偏光イメージング ) を開発する. さらに, 蛍光タンパク質や蛍光色素によるタンパク質や DNA の標識技術と 偏光計測 解析という異分野を融合することで 生体分子の状態を判定可能な新たな技術開発も試みる. 具体的には, 機器開発およびソフトウエア開発, 工業応用, バイオ メディカル応用の 3 つのサブ プロジェクトに分けて開発を推進していく プロジェクトの内容 白色光源 拡散板 対物レンズ コリメータレンズ 検光子位相子偏光変調器サンプル 図 1 可変入射角 レンズ系 カメラ 位相子 検光子 分光ストークス偏光計 可変検出系 分光偏光イメージング光学系 (a) 金尺写真 (b) 偏光度 (c) 楕円率図 2 金尺の偏光度計測結果 偏光照明をしたときの被測定物体表面からの散乱偏光および蛍光物質が細胞内で配向されるたときの蛍光偏光が生じるためその偏光度や偏光解消から表面粗さ, 欠陥や分子配向度を評価することができる. 偏光状態は,S 0 S 3 の 4 つの要素からなるストークス パラメータで表すことが出来, 直線偏光, 円偏光, 楕円偏光や, これらの混在度合を表す完全偏光, 部分偏光. 非偏光に分類できる. また, ミュラー行例は, 光学素子の偏光特性を表す 4 行 4 列の行列である. これらの, ストークス パラメータおよびミュラー行例ともに波長依存性が強く, この特性から測定サンプルの表面構造や材料特性を得ることができる. 図 1 は分光ストークス偏光計である. サンプルからの散乱光の偏光状態を高精度に計測することが出来る. 図 2 は実際に金属製の定規の計測結果である. 目盛凹凸によるエッジやキズによる散乱光は偏光解消するので偏光度が低下する. 期待される効果 展開 期待される効果として, ナノ形状計測, 欠陥検査品質管理, バイオセンシング, 癌検出など工業分野やメディカルイメージングでの実用化が挙げられる. 特に, バイオイメージングにおいては, 細胞内の状態解析や 病原菌 食中毒菌の迅速検出 生体高分子間すなわちタンパク質間あるいはタンパク質 DNA 間の相互作用の解析に利用可能なバイオセンサーやバイオイメージング法の開発に役立つことが期待できる. 59 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門

66 プロジェクト 10 分光偏光イメージング技術開発プロジェクト ( 担当者 ) 大谷幸利, 前田勇, 小林富美男, Geliztle Alejandra Parra Escamilla, 柴田秀平 本年度の研究成果概要 本年度のプロジェクトは, ナノからメートルオーダーまでの形状計測, 時間的変化を追いかけるトラッキング技術, 分光偏光技術を用いた材料特性を捉えることが出来る分光偏光イメージングを新規に開発した これらの研究成果は,2014,2015 年度の豊橋市イノベーション創出等支援事業に採択され, 企業とともに実用化を目指ざしている. この製品の見込める応用分野は, ナノ形状計測, 欠陥検査 品質管理, バイオセンシング, 癌検出などメディカルイメージングへの適用を挙げることができる. そのため, 本プロジェクトは, 機器開発およびソフトウエア開発, 工業応用, バイオ メディカル応用の 3 つのサブ プロジェクトに分けて開発を推進していく. スペースの利用の成果は, 開発機器が様々な分野に応用可能なことを立証するだけでなく, 製品として強みを持たせるような開発を推進していくために, それぞれの専門家であるオプティクスと農学部から両者の研究者が参画して実験場所を共有して共同にプロトタイプの試作および実験を行うことが可能となっている 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) M. Taniguchi, M. S. R. Siddiki, S. Ueda, and I. Maeda, Mercury (II) sensor based on monitoring dissociation rate of the trans-acting factor MerR from cis-element by surface plasmon resonance, Biosensors and Bioelectronics, Vol. 67, pp (2015). 2) M. Watanabe, I. Maeda, M. Koyama, K. Nakamura, and K. Sasano, Simultaneous recovery and purification of rice protein and phosphorus compounds from full-fat and defatted rice bran with organic solvent-free process, Journal of Bioscience and Bioengineering, Vol. 119, pp (2015). 3) Takashi Onuma, Yukitoshi Otani : A development of two-dimensional birefringence distribution measurement system with a sampling rate of 1.3 MHz, Optics Communications, Vol.315, No.15, (2014). 4) Toshitaka Wakayama, Oscar G.Rodríguez-Herrera, J.Scott Tyo, Yukitoshi Otani, Motoki Yonemura, Toru Yoshizawa : Generation of achromatic, uniform-phase, radially polarized beams, Optics Express Vol.22, No.1, (2014). 5) David Ignacio Serrano-García, Amalia Martínez-García, Noel-Ivan Toto-Arellano, Yukitoshi Otani : Dynamic temperature field measurements using a polarization phase-shifting technique, Optical Engineering, Vol.53, No.11, (2014). 6) Hayato Ohashi, Takeshi Higashiguchi, Yuhei Suzuki, Goki Arai, Yukitoshi Otani, Toyohiko Yatagai, Bowen Li, Padraig Dunne, Gerry O Sullivan, Weihua Jiang, Akira Endo, Hiroyuki A. Sakaue, Daiji Kato, Izumi Murakami, Naoki Tamura, Shigeru Sudo, Fumihiro Koike, Chihiro Suzuki : Quasi-Moseley s law for strong narrow bandwidth soft x-ray sources containing higher charge-state ions, Applied Physics Letters, Vol.104, Issue , (2014). 7) David-Ignacio Serrano-García, Amalia Martinez-García,Noel-Iván Toto-Arellano, Yukitoshi Otani : Single shot interferometry using a two-interferogram phase shifting algorithm, Advanced Optical Technologies, Vol.3, No.4, (2014). 60

67 国際会議発表 (plenary lecture:pl, invited speaker:is, oral presentation:op, poster presentation:pp) 1) *OP* Isamu Maeda and Mie Tsuboyama, Development of fluorescent nano-bioprobes using bacteriophage T7, Biomedical Imaging and Sensing Conference (BISC) 14, (PACIFICO Yokohama, Yokohama, April 2014). 2) *PP* Isamu Maeda, Masaki Taniguchi, Mohammad Shohel Rana Siddiki, and Taki Naito, Analysis of binding affinity between cis-elements and transcriptional regulators responsive to toxic metals, Biosensors 2014, (Melbourne, Australia, May 2014). 3) *OP* Toshitaka Wakayama, Kazuyuki Sakaue, Takeshi Higashiguchi, Yukitoshi Otani, Masakazu Washio, Motoki Yonemura, Toru Yoshizawa : THz Vector Beam generated by Achromatic Axially Symmetric Wave Plate, The 9th International Conference on Optics-photonics Design and Fabrication, ODF'14, Itabashi, Tokyo (2014). 4) *OP* Shuhei Shibata, Takashi Onuma, Yukitoshi Otani : Spectroscopic birefringence mapping by full-stokes polarization camera, The 9th International Conference on Optics-photonics Design and Fabrication, ODF'14, Itabashi, Tokyo (2014). 5) *IS* Yukitoshi Otani, Toshitaka Wakayama : Achromatic axially symmetric wave plate and its application to radial polarization beam, International Conference on Optics & Optoelectronics, ICOL2014 (2014). 6) *OP* asahito Sakaguchi, Yutaka Kodama, Yukitoshi Otani : Spectroscopic Mueller Matrix Microscope Using Dual-rotating Retarders, The 1st Biomedical Imaging and Sensing Conference (BISC 14) (2014). 7) *OP* Shuhei Shibata, Fumio Kobayashi, Daisuke Barada, Yukitoshi Otani : Dynamic and uniaxial profilometry by polarization camera, Photonics Europe (2014). 8) *OP* Takashi Onuma, Yukitoshi Otani : High-speed birefringence mapping by polarization camera and its application for film orientation tracking, SPIE Sensing Technology + Applications, Baltimore, USA (2014). 9) *OP* Shuhei Shibata, Fumio Kobayashi, Daisuke Barada, Yukitoshi Otani : Real-time and uniaxial measurement of 3D profile by polarization camera, SPIE Sensing Technology + Applications, Baltimore, USA (2014). 10) *OP* Shuhei Shibata, Fumio Kobayashi, Daisuke Barada, Yukitoshi Otani : Microscopic type of real-time uniaxial 3D profilometry by polarization camera, SPIE Optics and Photonics, San Diego, USA (2014). 11) *OP* David I. Serrano-Garcia, Amalia Martinez-Garcia, Noel-Ivan Toto-Arellano, Yukitoshi Otani : Dynamic temperature field measurements using a polarization phase shifting technique, SPIE Optics and Photonics, San Diego, USA (2014). 12) *OP* Yukitoshi Otani, Shuhei Shibata : Real-time imaging Stokes polarimeter by polarization camera and its application to birefringence mapping, ICO 2014, Santiago de Compostela, Spain (2014). 13) *OP* David I. Serrano-García Yukitoshi Otani : 3-D SURFACE PROFILOMETRY EMPLOYING THE POLARIZATION PHASE SHIFTING TECHNIQUE, The International Symposium on Laser Metrology for Precision Measurement and Inspection in Industry 2014 : IMEKO, Tsukuba, Japan (2014). 14) *OP* Yukitoshi Otani, Shuhei Shibata, Takashi Onuma : REAL-TIME MEASUREMENT OF STOKES PARAMETERS BY POLARIZATION CAMERA, 16th International Conference on Experimental Mechanics (ICEM-16), Cambridge UK (2014). 15) *IS* Yukitoshi Otani, Shuhei Shibata : Dynamic measurement of Stokes 61

68 parameters and birefringence mapping by full-stokes polarization camera, Photonics Asia 2014 "Optical Metrology and Inspection for Industrial Applications III", Beijing, China (2014). 16) *IS* Yukitoshi Otani, Hiroshi Hasegawa : Imaging polarimeter for spectroscopic full-stokes parameters and its application to flaw detection, The 2014 International Coference on Photonics and Optical Engineering (icpoe), Xi'an, China (2014). 17) *OP* Hiroshi Hasegawa, Yukitoshi Otani : Imaging Stokes polarimeter on six-axis robot arm, International Symposium on Optomechatronic Technologies (ISOT2014), Seattle (2014). 18) *OP* Yiheng Lim, Yukitoshi Otani : Simultaneous spectroscopic and elastographic measurement by multifunctional optical coherence tomography: Imaging Stokes polarimeter on six-axis robot arm, International Symposium on Optomechatronic Technologies (ISOT2014), Seattle (2014). 19) *IS* Yukitoshi Otani, Shuhei Shibata : Spectroscopic full-field Stokes polarimeter, International Symposium on Optomechatronic Technologies (ISOT2014), Seattle (2014). 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 一般 谷口正毅,Mohammad Shohel Rana Siddiki, 前田勇, 有害金属に応答するシスエレメントと転写調節因子との結合親和性の解析, 日本農芸化学会 2014 年度大会, 東京 (2014). 2) ポ 前田勇, 久下沼匠, 大気中窒素分子を N 源とした紅色非硫黄細菌の増殖能の評価, 第 66 回 (2014 年 ) 日本生物工学会大会, 札幌 (2014). 3) 一般 前田勇, 土居寛幸, 秋山直毅, 乳酸菌による発酵牛乳上清に認められる乳酸菌増殖促進活性, 日本農芸化学会 2015 年度大会, 岡山 (2015). 4) 一般 鎌田葉, 杉坂純一郎, 大谷幸利, 谷田貝豊彦 : 分光ミュラー行列偏光計と境界要素法によるナノ構造評価 ~ ナノ構造の作製と評価 ~, OPJ2014 (2014). 5) 一般 柴田秀平, 喜入朋宏, 早崎芳夫, 大谷幸利, 谷田貝豊彦広ダイナミックレンジ光強度検出器によるストークス偏光計, OPJ2014 (2014). 6) 一般 David I. Serrano-Garcia, Yukitoshi Otani : Temporal Phase Measurements Using a Polarization Phase Shifting Interferometer, OPJ2014 (2014). 7) 一般 坂口将仁, 大谷幸利 : 反射型分光ミュラー行列顕微鏡, OPJ2014 (2014). 8) 招待 大谷幸利 : シンポジウム 偏光渦 クロージングリマークス, OPJ2014 (2014). 9) 一般 大谷幸利, 坂口将仁 : 分光ミュラー行例顕微鏡とそのバイオイメージングへの応用,2014 年光計測シンポジウム (2014). 10) 一般 David I. Serrano-Garcia, Yukitoshi Otani : Temporal phase measurements using a polarization phase shifting interferometer, 第 54 回光波センシング技術研究会, 東京 (2014). 他 15 件 著書, 総説, 解説等 1) 著書 前田勇, 宮坂均, 転写スイッチの機能に基づく有害金属バイオセンサー, 地球を救うメタルバイオテクノロジー微生物と金属資源のはなし,pp , 成山堂書店 (2014). 2) 著書 前田勇,DNA- タンパク質複合体の固相への修飾による有害金属の蛍光検出, バイオセンサの先端科学技術と新製品への応用開発,pp , 技術情報協会 (2014) 62

69 3) 著書 大谷幸利 : 45. 偏光素子 59. 偏光計測 : 2, 光学技術の事典, 朝倉書店 (2014). 4) 著書 大谷幸利 : 分光ミュラー行列偏光計, 表面科学,35 巻, 9 号, (2014). 5) 著書 大谷幸利 : 光学素子計測についての技術動向と展望, 精密工学会誌,80 巻, 6 号, (2014). 6) 著書 大谷幸利 :3 次元計測技術, 日本画像学会誌,53 巻, 2 号, (2014). 7) 著書 大谷幸利 : 最近の三次元計測技術の最新動向, 画像ラボ, 11 号,42-48 (2014). 受賞 1) 鳩山正男, 都市交通学会論文賞 渋滞解消法に関する実験的検討 (2011 年 9 月 ) 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 科研 前田勇,5,200 千円 窒素固定細菌共生系における菌叢ダイナミクスモデルの構築と大気中窒素の転換 基盤研究 (C)( 平成 年度 ). 2) 共同 大谷幸利,3,024 千円 サイエンス クリエイト ( 平成 26 年 ). 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 D3:2 名,D2:2 名,D1:1 名 博士前期課程 M2:3 名,M1:1 名 CDI プロジェクト関連の成果についての特記事項イ ) 展示 1 件宇都宮大学大谷研究室画像機器展 2014 パシフィコ横浜展示会場 (2014 年 6 月 日 ) ハ ) 展示 1 件宇都宮大学大谷研究室国際画像機器展パシフィコ横浜展示会場 (2014 年 12 月 3-5 日 ) 63

70 磁気を利用した超精密加工技術の実用化 企業化推進研究 代 表 鄒艶華 ( しゅう えんか ) 所属 職名 工学研究科機械知能工学専攻 准教授 連 絡 先 TEL: FAX: メンバー MOHD RIDHA BIN MUHAMAD(D2), 呉金忠 (D2), 孫旭 (D1) キーワード 磁気援用加工 円管内面鏡面仕上げ 磁気バリ取り ナノ表面創成 電気 磁気複合加工 背景および目的 半導体関連産業 バイオテクノロジーなど様々な分野で用いられる高純度ガスや高清浄度流体の輸送に使用されるクリーンパイプ内面には, 汚染物質付着や滞留防止のために高い表面精度が求められている また, 精密部品の機械加工後には必ずバリ取り工程が必要となる 特に 複雑形状精密部品のバリ取りには多くの企業が頭を悩ませており 解決策として 磁気バリ取り技術 の実用化が強く求められている これらの社会ニーズに応えるため, 本研究室では 高分子材料の超精密加工, 人工透析用注射針の精密バリ取り 電解を複合した磁気研磨法 を中心とした研究開発に積極的に取組み 新技術の開発に挑戦し続けている 磁気援用加工法 ( 磁気研磨法 ) は 磁気 の作用を 精密加工 に取り込んだ新しい加工技術であり 円管内面の精密研磨や微細部品の内バリの除去に適用できる 図 1 は, 曲がり円管内面の磁気研磨法の加工原理を示す 円管外部に磁石を設置すると, 円管内に投入した混合磁性砥粒 ( 鉄粉と研磨材 ) に磁気力が作用して円管内面を押付け 永久磁石を高速回転させながら円管の軸方向に移動させていくと, 混合磁性砥粒は磁石の回転に追従して回転しながら移動し, 曲がり円管内面の全面が精密研磨できる プロジェクトの内容 Pole rotation Pole Yoke S S N Pole feed N 期待される効果 展開 Elbow Mixed-type magnetic abrasive 図 1 曲がり円管内面の磁気研磨法 のドリル加工バリの完全除去もできます 3) 超精密ナノ表面の創成技術の開発研究本技術は, 単純化した磁気機能性流体を利用して超精密ナノレベル表面を創成できる研磨方法です 図 2は,SUS304ステンレス鋼円管内面の加工結果を示しています 320nmRaの研磨前の加工面を 3.37nmRaの超精密表面に仕上げられます 227 µm 299 µm Ra: 320 nm 91.8 µm µm 加工前 加工後 図 2 加工前後の3 次元表面形状 Ra: 3.37 nm 磁気援用加工( 磁気研磨法 ) プロジェクトの主な開発研究は以下のとおりです 1) 微細管内面の磁気研磨技術の実用化本技術は 各種の金属円管, セラミック円管の内面仕上げに有効です 特に, 注射針や医療機器に組み込まれる内径 0.5mm 以下の微細管内面の精密仕上げに挑戦しています 2) 精密磁気バリ取り技術の実用化厚肉円管内面の精密研磨, 円管内面の溶接ビードの除去, 内面のバリ取りへの応用が可能であり, 熱交換器などで使われるステンレス鋼円管内面 1. 高純度ガスや高純度流体を輸送するための装置に使用されるクリーンパイプの内面仕上げ, 微細管内面の精密鏡面仕上げに適用できます 2. 磁気バリ取り技術によって, 内バリや溶接管の溶接ビードの除去などに適用できます 3. 各種のパイプ内面のナノレベル表面仕上げ, 金型表面の鏡面仕上げ, 非球面レンズの鏡面仕上げなどへの適用が期待できます 4. 新技術開発への挑戦を通して大学院生の創造性を育み 研究成果の企業への技術移転 共同研究開発 特許出願などが期待できます 64 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門

71 プロジェクト 11 磁気を利用した超精密加工技術の実用化 企業化推進研究 ( 担当者 ) 鄒艶華 本年度の研究成果概要本年度は, 大学で得られた磁気研磨技術の研究成果を実用化に努め 積極的に県内企業に技術移転を行っている. その中, 伸光製作所 ( 株 ) とは 高分子材料の超精密加工技術 を開発し, 樹脂製品の透明性向上などで成功している. その成果として特許申請も進んでおり, 当該企業は高分子材料加工の市場シェア拡大に繋がった. さらに, 金子メデックス とは 人体透析用注射針のバリ取り 技術を開発し, 短時間で多数の注射針を同時にバリ取りが実現できることを示している. 以上の新技術開発への挑戦を通して学生の創造性を育み 研究成果の企業への技術移転 外部資金獲得 さらには論文投稿へと繋げていた. 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) Muhamad Mohd Ridha1,Yanhua Zou:Magnetic Abrasive Finishing of Internal Surface of Aluminum Pipe using Magnetic Machining Jig, Advanced Materials Research,894, (2014). 2) JIAO Anyuan, LI Zongze, Yanhua Zou:Effect analysis of plane magnetic abrasive finishing based on constant pressure, MANUFACTURING TECHNOLOGY & MACHINE TOOL,8,37-41 (2014). 3) Jinzhong Wu, Yanhua Zou, Hitoshi Sugiyama: Study on ultra-precision magnetic abrasive finishing process using low frequency alternating magnetic field, Journal of Magnetism and Magnetic Materials,386,50-59 (2015). 国際会議発表 (plenary lecture:pl, invited speaker:is, oral presentation:op, poster presentation:pp) 1) *OP* Muhamad Mohd Ridha1,Yanhua Zou, Magnetic Abrasive Finishing of Internal Surface of Aluminum Pipe using Magnetic Machining Jig, International Conference on Advanced Materials Research (ICAMR 2014), January 22-23, Macao(2014). 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 依頼 鄒艶華, 磁気加工技術とその応用, 首都圏北部 4 大学発新技術説明会, 東京 (2014). 2) 一般 鄒艶華, 檜山武郎, 磁気機能性流体を利用した超精密平面磁気研磨法の開発, 砥粒加工学会卒業研究発表会, 東京 (2014). 65

72 3) 一般 鄒艶華, 大根田亮, 人体用注射針の内面磁気バリ取り法に関する研究, 砥粒加工学会卒業研究発表会, 東京 (2014). 4) 一般 鄒艶華, 菊池俊希, 磁気を利用した樹脂パイプ内面の精密仕上げに関する研究, 砥粒加工学会卒業研究発表会, 東京 (2014). 5) 一般 鄒艶華, 小林亮太, 磁石工具を用いた厚肉円管の内面磁気研磨法に関する研究, 砥粒加工学会卒業研究発表会, 東京 (2014). 6) 一般 鄒艶華, 森敬祐, 磁性加工ジグを用いた曲がり管の内面研磨に関する研究, 日本機械学会東北支部第 49 期総会 講演会, 仙台 (2014). 7) 一般 鄒艶華, 朴龍建, 電界複合した磁気研磨法に関する研究,2014 年度精密工学会春季大会学術講演会, 東京 (2014). 8) 一般 鄒艶華,Mohd Ridha Muhamad, 電界複合したパイプ内面磁気研磨法に関する研究,2014 年度精密工学会春季大会学術講演会, 東京 (2014). 9) 一般 鄒艶華, 磁石工具を利用した超精密平面磁気研磨法の開発, 日本機械学会関東支部 精密工学会 茨城大学共催, 第 22 回茨城講演会, 茨城 (2014). 10) 一般 鄒艶華, 呉金忠, 変動磁場を利用した超精密平面磁気研磨法の開発,2014 年度砥粒加工学会学術講演会, 秋田 (2014). 他 4 件. 特許 ( 外国, 国内, 公開, 出願 ) 1) 国内 出願, 鄒艶華, 他 2 名 ( 企業の方 ), 磁気研磨方法及び研磨スラリー, 特願 ( 出願日 :2014 年 3 月 6 日 ). 2) 国内 出願, 鄒艶華, 磁石工具を用いた磁気研磨方法及び磁気研磨装置, 特願 ( 出願日 :2014 年 9 月 4 日 ). 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 共同 鄒艶華,600 千円 磁気援用加工法によるプラスチック材料の精密研磨技術の開発 伸光製作所株式会社 ( 株 )( 平成 26 年 ). 2) 受託 鄒艶華,210 千円 人体用注射針の精密磁気バリ取り法に関する研究 金子メディックス ( 株 )( 平成 26 年度 ). 3) 奨学 鄒艶華,100 千円 磁気研磨法に関する研究助成金 株式会社東レ プレシジョン ( 平成 26 年度 ). 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 D3:2 名,D2:1 名,D1:1 名 博士前期課程 M2:4 名,M1:3 名 66

73 実用化を指向した光波制御デバイスの研究 代表白石和男所属 職名工学研究科 教授連絡先 TEL: FAX: メンバー依田秀彦准教授キーワード偏光子, レンズドファイバ, チューナブル波長選択フィルタ 背景および目的 本研究で開発を目指す具体的デバイスは 以下の 3 つである (1) レンズ付き光ファイバ ( レンズドファイバ ) (2) 金属薄膜サブ波長格子構造偏光子 (3) チューナブル波長選択フィルタ レンズドファイバ に関しては 液体や樹脂中でも高い集光性能をもつ 2 方式 (HILC( 高屈折率層被覆 ) 型および PC( プラノコンベックス ) 型 ) の開発を行う PC 型は波長以下のスポット径に集光できる 従来のレンズドファイバは 集光径が波長の 2 倍以上と大きい 液体 樹脂中では集光作用が無くなるという欠点があった 金属薄膜サブ波長格子構造偏光子 は 新しい動作原理にもとづく偏光子である 従来は 20dB 程度にとどまっていた消光比を中赤外域 ( 波長 10~20µm) およびテラヘルツ帯 (0.5~3THz) において 50dB 以上を実現し さらに量産性に優れた作製方法を確立する チューナブル波長選択フィルタ は将来の光ファイバ加入者網においてキーデバイスになる 高い生産性と優れた光学特性を併せもつ 光学薄膜構造を利用した 2 種のチューナブル波長選択フィルタチップ ( 温度制御型と電圧制御型 ) を開発する 電圧制御型はプロトタイプの試作を目指し 温度制御型はモジュール化まで行い これらの実用化に目途をつける プロジェクトの内容 (1) レンズドファイバ 凸状に形成したファイバ先端に高屈折率 (a-si 等 ) を被覆した HILC 型は波長 1550nm において作動距離 10μm 集光スポット径 2μm を実現できる 固有ビーム径 GI ファイバ (EB-GIF) により 凸状形成が容易になる PC 型は先端に高屈折率媒質の微小平凸レンズを形成し 作動距離ゼロ 集光スポット径を波長の 60% にできる特長がある HILC 型レンズドファイバ PC 型レンズドファイバ (2) 金属薄膜サブ波長格子構造偏光子 三角あるいは正弦状の金属薄膜格子は 良好な偏光子として動作することを見出している テラヘルツ帯では透明樹脂基板にインプリント法で作製した格子に金を成膜し良好な偏光子を試作する 一方 中赤外ではシリコン基板に形成した三角格子面にアルミ薄膜を多重に形成して高性能偏光子を試作する (3) チューナブル波長選択フィルタ 多キャビティ構造を採用し 赤外域高透過率の透明導電膜 (InTiO) を熱源にした TO( 熱光学 ) 効果 あるいは強誘電体媒質を組み込んだ EO( 電気光学 ) 効果を利用して狭波長幅 低消費電力 高速波長スイープを可能にする 期待される効果 展開 構造 試作品 TO フィルタシングルキャビティ構造フィルタ ( 上 ) と そのチューナブル波長特性 ( 下 ) 従来は原理的に不可能だった 液体中で動作する超高 NA レンズドファイバが実現し レンズドファイバの応用分野が飛躍的に拡がる 従来比で 30dB 以上高い消光比をもつ偏光子が実現し センシングや物性研究分野への応用が拡大する 光パッシブネットワークの高密度化 高機能化 高速化が実現できる 5mm 67 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門

74 プロジェクト 12 実用化を指向した光波制御デバイスの研究 ( 担当者 ) 白石和男, 依田秀彦 本年度の研究成果概要 1. プラノコンベックス型レンズドファイバの集光特性の改善と集光スポット径制御ファイバ先端の化学エッチング時に生じる微小凹凸をファイアポリッシュにより平滑化すれば, 良好なビーム品質が得られることが分かった. また,GIF 端に化学エッチングで形成した凹部の曲率半径はエッチング時間に依存することを利用し, 集光スポット径を制御できることを確認した. 2. 赤外 ~テラヘルツ帯用サブ波長格子構造偏光子の微細構造分析と挿入損失低減化テラヘルツ帯偏光子の金属 (Au) 層の膜厚分布を分析し, これを基に光学特性を調べた結果, 金属膜厚は一様でなくてもよいことが分かった. 中赤外用は, 基板表裏面の最外層に反射防止効果 (AR) を持つ ZnS 薄膜を設けた構造を考案し, 広い波長範囲にわたり, 挿入損失を低減できることを見出した. 3.TO および EO 効果利用チューナブル波長フィルタの試作 a-si:d/sin x TO-BPF を作製して耐熱性を評価した結果, 450 まで吸収率増加を抑制できることがわかった. 小型化薄型化した TO-BPF チップの消費電力特性を評価し, 消費電力効率を向上させることができた.EO チューナブル波長フィルタに適した PLZT 薄膜の形成条件についても検討し, 新たに ITiO 透明導電膜をシード層兼電極層に採用した. 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) K. Shiraishi, M. Horiuchi, H. Yoda, and C. S. Tsai, "Robust lensed fibers having high focusing effects in resin bond," in Proc. International Conference on Electronics Packaging (ICEP 2014), Toyama, Japan, April 2014, paper P22, pp ) K. Shiraishi, R. Takasaki, H. Yoda, H. Oshikiri, and C. S. Tsai, "A spot-size converter with vertical down taper for the coupling between single-mode fiber and silicon-wire waveguide," in Proc. International Conference on Electronics Packaging (ICEP 2014), Toyama, Japan, April 2014, paper P23, pp 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 一般 諏訪翔也, 村木兼吾, 白石和男, " テラヘルツ帯用金属薄膜サブ波長格子構造偏光子の高性能化," 信学ソ大, C-4-36, 2014 年 9 月. 2) 一般 村木兼吾, 諏訪翔也, 白石和男, " テラヘルツ帯用高性能金属薄膜サブ波長格子構造偏光子の作製," 応用物理学関係連合講演会, 19p-C6-9, 2014 年 9 月. 3) 一般 飯富真, 依田秀彦, "EO チューナブル波長フィルタ用 PLZT 薄膜の電気及光学 68

75 特性評価に関する研究," 第 5 回電気学会東京支部栃木 群馬支所合同研究発表会, ETT-15-62, 2015 年 3 月. 4) 一般 田島正彦, 依田秀彦, "Si/SiN チューナブル波長フィルタの作製と評価に関する研究," 第 5 回電気学会東京支部栃木 群馬支所合同研究発表会, ETT-15-74, 2015 年 3 月. 5) 一般 斎藤矯, 鈴木裕太, 白石和男, 依田秀彦, " プラノコンベックス型レンズドファイバの集光特性の改善," 応用物理学関係連合講演会, 12a-A13-7, 2015 年 3 月. 6) 一般 村木兼吾, 諏訪翔也, 山本浩輔, 白石和男, " テラヘルツ帯金属薄膜サブ波長格子構造偏光子の金属膜厚分布と光学特性の金属種依存性," 応用物理学関係連合講演会, 13a-A14-1, 2015 年 3 月. 7) 一般 樋口翔吾, 柿沼洋, 清水淳, 白石和男, 依田秀彦, 六本木誠, " 中赤外用金属薄膜サブ波長多重格子構造偏光子の挿入損失低減化," 応用物理学関係連合講演会, 11a-A13-2, 2015 年 3 月. 8) 一般 柿沼洋, 樋口翔吾, 清水淳, 白石和男, 依田秀彦, 大野泰司, " 中赤外金属薄膜サブ波長多重格子構造偏光子の格子形状変化が光学特性に及ぼす影響," 信学総大, C-3-34, 2015 年 3 月. 9) 一般 鈴木裕太, 斎藤矯, 坂下峻志, 白石和男, 依田秀彦, " プラノコンベックス型レンズドファイバの集光スポット径制御," 信学総大, B-13-4, 2015 年 3 月. 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 科研 依田秀彦,2,450 千円 生産性と光学特性に秀でたチューナブル波長フィルタの継続開発 ( 平成 年 ) 2) 科研 白石和男,3,900 千円 中赤外 ~テラヘルツ帯用超高性能偏光子の開発とその技術応用に関する研究 ( 平成 年 ) 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 D3:0 名,D2:0 名,D1:0 名 博士前期課程 M2:5 名,M1:7 名 CDI プロジェクト関連の成果についての特記事項イ ) 研究成果有体物提供プラノコンベックスレンズドファイバ 30 本を電子部品メーカへ (2014 年 8 月 ) 69

76 スポーツの教示訓練を目的とした腕部関節運動訓練装置の開発 代 表 横田和隆 所属 職名 宇都宮大学大学院工学研究部循環生産研究部門教授 連 絡 先 TEL: FAX: メンバー 北野雄大中核的研究機関研究員 キーワード ウェアラブルロボット パラレルリンク 人体計測 背景および目的 本プロジェクトではスポーツトレーナーの代替を目指した装着型の教示訓練装置の開発を進めている 本プロジェクトの最大の目的は既存の教示訓練装置の運動自由度に比べ 高い運動自由度を持った教示訓練装置を開発することにある 既存の訓練装置は人体の関節運動に対して 回転一軸や球関節などへの近似や関節可動域の小さい関節の省略などを行っており 既存の訓練装置では本来の人体の動きを完全に再現することができず 単純化された運動を対象としている しかし このような本来の人体と異なる運動を 教示訓練のように複数回繰り返して行うことは 少なからず人体に対する負担となり 怪我や故障の原因となる恐れがある また 訓練装置として人体の細かな動きや無意識な動きの運動の再現を行う際にも 自由度の制限が問題となる 装置を用いた教示訓練を より安全且つ効果的に行うためには 装置の動きを人体に近づける必要があり 本プロジェクトではパラレルリンク機構を利用した装着型の装置による実現を目指す さらに 開発した装置を用いて教示訓練を実施し 高自由度化の効果について評価を行う プロジェクトの内容 Master Slave Training System Measuring Device Master (Expert) Transfer of Operation Measuring Device Training Device Training Device Slave (Trainee) 本プロジェクトは まず初めに教示訓練装置の開発を行い 次に開発した教示訓練装置を利用した訓練用マスタ スレイブシステムの実現を目指す 教示訓練装置にはアクチュエータとしてシャフトモータ リニアセンサとしてワイヤーセンサを用いる アクチュエータとリニアセンサをパラレルリンク状に配置することで一関節に対して回転の 3 自由度と並進の 3 自由度を同時に計測し 動かすことが可能な訓練装置を開発する 開発した装置を用いて訓練用マスタ スレイブシステムを構築する 訓練用マスタ スレイブシステムとは熟練者 ( マスタ ) の動きを訓練者 ( スレイブ ) に伝え 同様の動きをさせることで教示を行う手法であり 一般的なトレーニングとして行われている 手取り足取り といった動作教示と似た訓練を実現できることから教示訓練としての効果が期待できる 期待される効果 展開 現在行われているトレーニング法と関連した高自由度訓練装置の運用法として 手取り足取り の動作教示が挙げられる 一般的なトレーニングでは熟練者が正しい動作を訓練者の手足に直接触れ 力を加えることで教示している しかし この様なトレーニング法は熟練者の感覚や知識に依存するため 効果を評価することや一般化することが難しい 本手法の訓練課程においては熟練者には普段通りの運動を行ってもらうのみであるため 感覚への依存が少ない訓練が実現できる また 熟練者にとっても 無意識的な変化や負担を評価することができ 運動データの保存やスランプ回避などに利用することができる 70 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門

77 プロジェクト 13 スポーツの教示訓練を目的とした腕部関節運動訓練装置の開発 ( 担当者 ) 横田和隆, 北野雄大 本年度の研究成果概要本年度は, シャフトモータを利用した手関節用装着型パラレルリンク式訓練装置を開発した. パラレルリンクの採用により, 一関節に対する関節運動のほぼすべてを計測 訓練することが可能である. 開発した訓練装置を用いて手関節の掌 背屈運動の教示訓練を行い, モーションキャプチャの利用により, 実際の掌の動きの計測を行って訓練装置の評価をした. 計測結果から, 掌に対して高自由度教示訓練が行われていることが確認された. 原著論文 ( 外国, 国内 ) 国際会議発表 (plenary lecture:pl, invited speaker:is, oral presentation:op, poster presentation:pp) 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 一般 北野雄大, 横田和隆, 教示訓練を目的とした高自由度装着型訓練装置の開発 - 装着型パラレルリンク式計測装置 -, 第 19 回ロボティクスシンポジア, 日本機械学会ロボティクス メカトロニックス部門,(CD-ROM),6D4, 神戸 (2014). 著書, 総説, 解説等 特許 ( 外国, 国内, 公開, 出願 ) 受賞 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 D3:3 名 博士前期課程 M2:4 名,M1:3 名 CDI プロジェクト関連の成果についての特記事項 71

78 72

79 プロジェクト 14 昆虫ウイルスを用いた次世代型外来タンパク質発現系の開発 ( 担当者 ) 岩永将司, 川崎秀樹 本年度の研究成果概要 本年度は 昆虫ウイルスを用いた外来タンパク質発現系 (Baculovirus Expression Vector System; BEVS) をより安全で利用しやすいものにするために まず昆虫培養細胞系に混入している植物ウイルス (maculavirus) 陰性の培養細胞株について BEVS に適用可能であることを明らかにした また 従来よりも 2 倍近いウイルスタンパク質発現量を示す昆虫ウイルス BmNPV-La 株の解析を進め その性状が ウイルス粒子の産生量は変わらずに タンパク質量のみが多くなることを明らかにした 次年度はこのウイルス株の全ゲノムを明らかにし 新たなベクター開発を進める予定である 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) Iwanaga, M., Tsukui, K., Uchiyama, K., Katsuma, S., Imanishi, S., Kawasaki, H. Expression of recombinant proteins by BEVS in a macula-like virus-free silkworm cell line. J. Invertebr. Pathol. 123: (2014) 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) ポ 藤本正太 掛水陽佳 川崎秀樹 岩永将司 昆虫ウイルスを利用した有用物質生産系の改良 第 8 回宇都宮大学企業交流会 ( 栃木県宇都宮市マロニエプラザ )(2014) 2) ポ 藤本正太 安達由佳 掛水陽佳 勝間進 今西重雄 川崎秀樹 岩永将司 大量かつ高品質な有用物質生産を目指したカイコバキュロウイルス発現系の改良 第 37 回日本分子生物学会年会 神奈川県 横浜 (2014) 3) ポ 今瀬諒司 津久井啓多 藤本正太 勝間進 今西重雄 川崎秀樹 岩永将司 BmMLV のサブゲノミックプロモーターの同定とその利用に関する研究 第 37 回日本分子生物学会年会 神奈川県 横浜 (2014) 4) ポ 内山航大 勝間進 藤本浩文 今西重雄 加藤篤 川崎秀樹 岩永将司 カイコ培養細胞へ混入する BmMLV の不活化に関する研究 第 37 回日本分子生物学会年会 神奈川県 横浜 (2014) 5) ポ 山口裕太 大沢健史 川崎秀樹 岩永将司 Bombyx mori carboxyl terminus of Hsc70 interacting protein(bmchip) の機能解析 第 37 回日本分子生物学会年会 神奈川県 横浜 (2014) 6) ポ 川崎秀樹 岩永将司 Manickam Asaithambi 昆虫の変態へのプロテアーゼの関わり 第 37 回日本分子生物学会年会 神奈川県 横浜 (2014) 7) ポ 山口裕太 大沢健史 川崎秀樹 岩永将司 カイコ核多角体病ウイルス感染細胞における宿主 carboxyl terminus of Hsc70 interacting protein の解析 第一回蚕糸 昆虫機能利用関東地区学術講演会 東京都 小金井 (2015) 8) ポ 今瀬諒司 勝間進 川崎秀樹 岩永将司 BmMLV のサブゲノミックプロモーターの同定と新たなサブゲノミック RNA の探索 第一回蚕糸 昆虫機能利用関東地区学術講演会 東京都 小金井 (2015) 9) ポ 藤本正太 掛水陽佳 勝間進 川崎秀樹 岩永将司 カイコ核多角体病ウイルス La 株の解析 第一回蚕糸 昆虫機能利用関東地区学術講演会 東京都 小金井 (2015) 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 受託 研究成果最適展開支援プログラム A-step,170 千円 高発現型バキュロウイルスを利用した外来タンパク質発現系の開発 科学技術振興機構 ( 平成 26 年 ) 73

80 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 D1:1 名 博士前期課程 M2:2 名,M1:2 名 74

81 無線通信 センサ技術を利用した建築施工技術の高度化 代 表 杉山 央 所属 職名 工学研究科地球環境デザイン学専攻 教授 連 絡 先 TEL: FAX: メンバー 藤本郷史講師 キーワード 品質保証, 信頼性向上, 透明性, ユーザー保護, 安全 安心 背景および目的 近年 建築分野ではコンクリート製造における偽装事件が相次ぎ トレーサビリティ確保への要望が高まっている また 解体工事での人身事故が増加傾向にあり 労働安全の確保が急務となっている このような背景のもと 本研究では建築物の施工技術の高度化 安全性向上を目指し 無線通信 センサなどの技術を導入した新たなシステムを開発する プロジェクトの内容 IC タグを利用したコンクリートのトレーサビリティ確保技術の開発コンクリートに識別番号を付与し それに対応した履歴情報を記録 管理するトレーサビリティ確保技術を開発する 一般的な工業製品では 識別番号を印刷したシールやプレートを取り付ける しかし コンクリートは硬化前の流動体の状態で納品されるので この方法が適用できない そこで 無線通信を利用した識別媒体である IC タグをコンクリートに埋め込むアイデアを導入する 角速度センサを利用した解体工事の労働安全確保技術の開発建築物の解体工事における人身事故の減少を目的として 建築部材 資材に転倒 崩落の危険が発生した際には センサで検知し 警報を鳴らして労働者や一般公衆に周知させる技術を開発する 解体工事では 解体しようとする部材が不整形であるため 構造特性が特定しにくく 重機振動や接触等の外乱も大きい そこで 部材の傾斜角等の従来用いられることの少ない特徴量に着目して 部材の転倒検知を目指す 図 1 IC タグの投入図 2 無線通信の様子 図 3 センサー設置例 図 4 IC タグを利用したトレーサビリティシステム例 計測作業の風景 角速度センサを利用した警報システム例 期待される効果 展開 いずれの技術も製品 工事の品質および信頼性を向上させ 人間の安全 安心に大きく貢献する コンクリートのトレーサビリティ確保技術については 日本における生コンクリートの年間生産量が約 9,000 万 m 3 であることから 本技術が開発されて実務に導入されれば波及効果は大きい 解体工事の労働安全確保技術については 最も労働災害死傷数や公衆災害の多い工種を対象としており 本技術が開発されれば産業面での効果に加えて社会的な貢献も大きい 75 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門

82 プロジェクト 15 無線通信 センサ技術を利用した建築施工技術の高度化 ( 担当者 ) 杉山央, 藤本郷史 本年度の研究成果概要 1)IC タグ等の無線通信技術を利用したコンクリートのトレーサビリティ確保技術コンクリートに識別記号を付与し それに対応した履歴情報を記録 管理する技術を検討している 本年度は コンクリートの製造 施工 維持管理過程で記録 保管すべき情報の優先順位を検討した また IC タグのコンクリートへの投入時期および役割についても検討した 2) 角速度センサを利用した解体工事の労働安全確保技術センサ計測によって解体工事の労働安全性 公衆安全性を確保するための技術開発に取り組んでいる 本年度は センサデータの補正手法を検討し, 複数の計測値の組み合わせによる精度向上手法を開発した また, 本手法を実際の解体工事において計測したデータに適用し 労働安全性を分析した 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) 李暁赫, 杉山央, 小野克也, 藤本郷史 : コンクリートの初期材齢における温度および湿潤養生条件が中性化進行性に及ぼす影響, 日本建築学会構造系論文集, 日本建築学会, 第 79 巻, 第 703 号,pp (2014) 2) 杉山央, 水戸健介 : 柱状プレキャストコンクリートの製造過程における強度管理手法, 日本建築学会構造系論文集, 日本建築学会, 第 79 巻, 第 706 号,pp (2014) 3) 財津拓三, 杉山央 : フライアッシュを事前混合したコンクリート用細骨材の有効利用に関する研究 -コンクリート強度に及ぼす影響-, 日本建築学会構造系論文集, 日本建築学会, 第 80 巻, 第 707 号,pp (2014) 4) 藤本郷史, 大久保孝昭, 小宮奏恵 : 静電容量式小型ぬれセンサシステムの開発および雨漏りや結露を想定した水膜の流動状態の判別, 日本建築学会技術報告集,Vol.20, No.64,pp (2014) 国際会議発表 (plenary lecture:pl, invited speaker:is, oral presentation:op, poster presentation:pp) 1) IS Satoshi Fujimoto : Inter-industry collaboration: another keystone for sustainability in future construction,concrete Sustainability Workshop, Kagawa, pp (2014) 76

83 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 一般 宮澤友基, 杉山央, 藤本郷史 :IC タグを活用したコンクリートのトレーサビリティ確保技術に関する研究 - 鉄筋コンクリート床部材中に投入する IC タグについての検討 -, 日本建築学会 2014 年大会, 神戸 (2014) 2) 一般 財津拓三, 杉山央 : フライアッシュを事前混合した細骨材を使用したコンクリートの強度特性, 日本建築学会 2014 年大会, 神戸 (2014) 3) 一般 小野克也, 杉山央, 李暁赫 : 各種コンクリートの初期養生条件が中性化進行に及ぼす影響に関する研究, 日本建築学会 2014 年大会, 神戸 (2014) 4) 一般 水戸健介, 杉山央, 李暁赫, 堀池一男 : プレキャストコンクリートの各種部材モデル養生供試体の比較実験, 日本建築学会 2014 年大会, 神戸 (2014) 5) 一般 親本俊憲, 桝田佳寛, 杉山央, 今本啓一, 棚野博之, 濱崎仁, 小林利充, 渡邉悟士 : 混合セメントを用いたコンクリートの耐久性能 ( その 1 実験概要 ), 日本建築学会大会学術講演梗概集 ( 材料施工 ), 日本建築学会, 神戸 (2014) 6) 一般 陣内浩, 杉山央, 黒田泰弘, 辻大二郎, 鹿毛忠継, 棚野博之, 土屋直子ほか : 混合セメントを用いたコンクリートの耐久性能 ( その 2 促進中性化試験 ), 日本建築学会 2014 年大会, 神戸 (2014) 7) 一般 李暁赫, 杉山央, 小野克也 : コンクリートの脱型時期が強度特性に及ぼす影響に関する定量的検討, 日本建築学会 2014 年大会, 神戸 (2014) 8) 一般 河村千秋, 藤本郷史 : 寒冷地の生コンクリート製造における電力 灯油の消費特性に関する研究,JCI 栃木支部研究発表会, 宇都宮 (2014) 9) 一般 藤本郷史, 濱幸雄 : 寒冷地の生コンクリート製造におけるエネルギー消費特性の調査, 日本建築学会大会, 神戸 (2014) 10) 一般 佐山諒, 藤本郷史 : モルタル表面における水滴のぬれ進展特性に関する一考察, 日本建築学会大会, 神戸 (2014) 他 4 件 著書, 総説, 解説等 1) 解説 杉山央 : コンクリートの信頼性向上を目指した IC タグ技術の利用, コンクリート工学, 日本コンクリート工学会,Vol.52,No9,pp (2014) 2) 報告 杉山央, 渡辺博志, 有川智, 大久保孝昭ほか : コンクリートのトレーサビリティ確保技術に関する研究委員会報告, コンクリート工学年次論文集,Vol.36,No.1, pp.28-37(2014) 3) 総説 藤本郷史: 材料施工分野の環境配慮においてセンサ情報の果たす役割と可能性, 日本建築学会, 建築雑誌, vol.129, No.1658, pp.31, (2014) 77

84 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 科研 杉山央, コンクリートのライフサイクル履歴情報管理システムに関する研究, 5,070 千円, 研究代表, 基盤研究 (C)( 平成 26~28 年 ) 2) 共同 杉山央, 国土交通省建築基準整備促進事業, コンクリート造建築物の劣化対策に関する基準の整備に資する検討,2,000 千円, 株式会社大林組 ( 平成 26 年 ) 3) 科研 世界の長期発展に係る鋼材のダイナミックマテリアルフロー分析,2,800 千円, 研究分担者, 基盤研究 (A)( 平成 年度 ) 4) 科研 環境配慮型製造施工のためのコンクリート材料工場の分析,3,400 千円, 研究代表, 若手研究 (B)( 平成 年度 ) 5) 奨学 建築解体工事における重機によるスラブ踏み抜き 崩落の兆候検知に関する基礎的研究,350 千円, 研究代表, ( 社 ) 全国解体工事業団体連合会研究助成 ( 平成 26 年度 ) 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 D3:0 名,D2:2 名,D1:2 名 博士前期課程 M2:3 名,M1:1 名 78

85 プロジェクト 16 希土類レス赤色発光酸化物の研究開発 ( 担当者 ) 単躍進, 手塚慶太郎 本年度の研究成果概要結晶サイト工学という概念を基に, 主成分の Mg 量の調整によって Mn ドープスピネル型酸化物 (MgAl2O4:Mn) 蛍光体中の微量成分である Mn の占有サイトおよび酸化数の制御を実現した 主成分の Mg を過剰することにより強い赤色発光のみを示す物質が得られ, 一方, 主成分の Mg を欠損すると, 緑色発光のみの試料しか得られないことが分かった 主成分 Mg の過剰によって Mn 2+ が Mg の占有 A サイト ( 四面体配位 ) に入ることを抑制し, それと同時に Mn 4+ の電荷補償剤として,Mn 4+ と共に B サイトの 3 価イオン (Al 3+, Ga 3+ ) の置換を実現できた したがって,Mn 4+ が B サイト ( 八面体配位 ) に入り, 赤色のみが観測できた 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) Keitaro Tezuka, Saori Kase, Yue Jin Shan, Syntheses of Bi2X3 (X = S, Se, Te) from elements under hydrothermal conditions,journal of Asian Ceramic Societies,2, (2014) 2) Weize Wang, Jingjing Wei, Huoxing Hong, Fuzhen Xuan, Yue Jin Shan, Effect of processing and service conditions on the luminescence intensity of plasma sprayed (Tm 3+ + Dy 3+ ) co-doped YSZ coatings, Journal of Alloys and Compounds, 584, (2014). 3) A. Aimi, D. Mori, K. Hiraki, T. Takahashi, Y.J. Shan, Y. Shirako, J. Zhou, Y. Inaguma, High-Pressure Synthesis of A-site Ordered Double Perovskite CaMnTi2O6 and Ferroelectricity Driven by Coupling of A-site Ordering and the Second-Order Jahn-Teller effect, Chemistry of Materials, 26, No. 8, (2014). 4) Yoshinori Wakui, Kanako Takahashi, Yue Jin Shan, Keitaro Tezuka, Hideo Imoto, Shogo Hosokawa, Norifumi Shinozaki, Mariko Ando, Hideki Maekawa, Study on effects of carbon impurities and oxygen vacancies in amorphous alumina phosphor prepared via solution method, Journal of Luminescence, 157, (2015). 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 一般 舟木和詩, 手塚慶太郎, 単躍進 遷移金属二硫化物固溶体ナノシートの合成とキャラクタリゼーション, 日本セラミックス協会 2014 年秋季シンポジウム, 鹿児島 (2014) 2) 一般 湧井宣考, 単躍進, 手塚慶太郎 Mn ドープスピネル型赤色蛍光体の合成と評価, 日本セラミックス協会 2014 年秋季シンポジウム, 鹿児島 (2014) 3) ポ 羽部行弘, 単躍進, 手塚慶太郎 新規秩序ペロブスカイト ACu3B2Te2O12(A=Ca, Sr and B=Ni, Mg) の大気圧合成とキャラクタリゼーション, 日本セラミックス協会 2014 年秋季シンポジウム, 鹿児島 (2014) 4) ポ 手塚慶太郎, 木下裕章, 単躍進 アルカリ土類 - 亜鉛複合硫化物 Ca1-xSrxZnOS の合成と評価, 日本セラミックス協会 2014 年秋季シンポジウム, 鹿児島 (2014) 5) 一般 根本清文, 単躍進, 手塚慶太郎 新規 Li-M-Te(M=Al, Ga) 系酸化物の合成とキャラクタリゼーション, 日本セラミックス協会第 30 回日本セラミックス協会関東支部研究発表会, 栃木 (2014) 6) 一般 中島勇人, 手塚慶太郎, 単躍進 MgFe2-xGaxO4 の光触媒活性と磁性, 日本セラミックス協会第 30 回日本セラミックス協会関東支部研究発表会, 栃木 (2014) 7) ポ 塚田将, 中島勇人, 手塚慶太郎, 単躍進 Y3Fe5-xGaxO12 の合成と光触媒活性に関する研究, 日本セラミックス協会第 30 回日本セラミックス協会関東支部研究発 79

86 表会, 栃木 (2014) 8) ポ 中村祐貴, 舟木和詩, 手塚慶太郎, 単躍進 TiSxSe2 x ナノシートの合成とキャラクタリゼーション, 日本セラミックス協会第 30 回日本セラミックス協会関東支部研究発表会, 栃木 (2014) 特許 ( 外国, 国内, 公開, 出願 ) 1) 国内 出願, 単躍進, 湧井宣考, 手塚慶太郎 マンガンドープスピネル型赤色蛍光体及びその製造方法 ( 平成 26 年 7 月 ) 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 科研 手塚慶太郎,2730 千円, 基盤 C 磁性を有する可視光応答光触媒に関する研究 ( 平成 26 年 ) 2) 共同 単躍進,1000 千円 蛍光体 ( アルミナ等 ) の開発 ( 株 ) 龍森 ( 平成 26 年 ) 3) 受託 単躍進, 手塚慶太郎,1700 千円 希土類レス赤色酸化物蛍光体の研究開発 JST A-STEP( 平成 26 年 12 月 平成 27 年 12 月 ) 4) 受託 単躍進,1000 千円 オゾンバッキによるセラミック濾床等に付着する生物相の変化と生物処理性能の評価研究 栃木日化サービス ( 平成 26 年 11 月 27 日 平成 27 年 4 月 30 日 ) 学生教育 ( 主任指導 ) 博士前期課程 M2:4 名,M1:5 名 80

87 過冷却合金を利用した金属 -CFRP 高強度接合技術の開発 代表山本篤史郎所属 職名工学研究科機械知能工学専攻 准教授連絡先 TEL: FAX: メンバー工学研究科機械知能工学専攻 教授 高山善匡キーワード過冷却合金, 炭素繊維強化プラスチック (CFRP), 接合, 自己伝播高温合成 背景および目的 輸送機器で主に使われている既存の金属材料と今後採用率が増大すると見込まれる炭素繊維強化プラスチック材料 (CFRP) を, 金属の過冷却を大きくすることにより, 強固に接合する技術を開発する. 現在検討されている金属と CFRP の接合方法は, 接着剤を用いる接着法, ボルト リベットを用いる機械的締結法などがある. また, レーザーを利用して CFRP に含まれるプラスチックと金属を反応させる方法も研究されている. こうした方法は, 金属だけでなく, 炭素繊維とプラスチックの複合材である CFRP も一つの均質な材料として考えている. しかし, 化学反応を用いる接着剤は根源的に金属との接着力が弱い. また, 機械的締結法では, ボルト リベットを用いる分,CFRP 利用による軽量化の効果を減衰させる. 金属と CFRP を反応させる方法では, 両者の融点の大幅な相違などのため難しい. これに対し本研究では,CFRP の製造に用いられる布状に織られた炭素繊維の隙間に溶融した金属を浸透させることにより, 均質な金属とプラスチックの異種材料接合として考えるのではなく, 塊状の試料と繊維状の試料を絡ませて幾何学的に複合化して接合する. プロジェクトの内容 炭素繊維と金属を絡ませる方法として粉末冶金的手法を用いる. 図 1 はタングステン線材を Ti,Ni,Cu の混合粉末中に埋め込み, 大気中で 1000 に加熱して得られた試料の断面を走査電子顕微鏡で観察した様子である. タングステン線材の周囲を融着して合金化した粉末が囲っている. 融着した合金はこの段階では隙間が多いため, 十分な強度を示さない. 隙間を埋めるためには, 加熱中に外部から粉末を圧縮する必要がある. また, 近年,Zr-Cu-Al 系など三元系以上の合金系で優れた過冷却能を示すものが報告されていることから, 混合する粉末の組み合わせによっても隙間を埋めることが可能である. 図 1 タングステン線材と混合金属粉末を 1000 で加熱した試料の断面走査電子顕微鏡像. 過冷却能が高い合金系を利用するメリットは他にもあり, その代表的な利点が残留応力の低減である. つまり, 高温で繊維材と金属を複合化できても, 室温まで冷やしたときに, 金属の収縮に伴い生じる残留応力が大きくなれば, 繊維材と金属の界面が剥離し, 十分な強度を示さない. 過冷却能が高い合金を利用すると, 金属が凝固を開始する温度が低くなるので, 残留応力を低減できる. 本実験では試験的に大気中 1000 で加熱したが, 炭素繊維を用いる場合はより低温で融着する合金粉末を用いると共に, 炭素繊維材を金属で被覆して保護する. また, 不活性ガス雰囲気中でも実験を行い, 酸化の影響についても調査する. 期待される効果 展開 CFRP は優れた軽量構造材料であるため, 低コスト化が進み, また, 大量生産技術とリサイクル技術が確立すれば, 広く用いられるようになると期待される. 一方で,CFRP では決して製造できない金属部材も必ず存在する.CFRP と金属部品を容易に接合する技術を開発することにより, 航空機産業や自動車産業に留まらず, 微小部品などにおいても CFRP の利用が促進されるようになると期待される. 81 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門

88 プロジェクト 17 過冷却合金を利用した金属 -CFRP 高強度接合技術の開発 ( 担当者 ) 山本篤史郎 本年度の研究成果概要タングステン (W) 線ならびに炭素繊維材を過冷却合金中に包埋させる実験を行った. まず W 線を,Zr 粉末,Al 粉末,Cu 粉末の混合物と共に大気中, 無応力下で加熱したところ, 各粉末が反応して合金化したが,W 線の表層の一部も反応した. そこで W 線に Ni 電解めっきを施して同様の実験を行ったところ,W 線表層の反応を抑制できた. 次に,CFRP 作製に用いられる炭素繊維材に Ni 電解めっきを施し,Zr 粉末,Al 粉末,Cu 粉末の混合物と共に大気中, 無応力下で過熱したが,W 線の場合と異なり,Ni めっき厚が十分でなかったためか, 元の炭素繊維材を観察できなかった. 炭素繊維材は W 線材よりも細く表面積が小さいため, めっき時の電流密度制御が困難であるため今後工夫する. また, 加熱中に応力を負荷する治具を製作したのでこれを利用する. 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 一般 山本篤史郎, 澤田明典, 高山善匡, 塑性加工により誘起される Al と遷移金属の局所反応, 軽金属学会, 東京 (2014) 2) 一般 山本篤史郎, 細川伸也, 加藤秀実, 林好一,Pd-Cu-Ag-Ge 液体急冷薄帯の示差走査熱量測定, 日本金属学会, 名古屋 (2014) 3) 一般 柳恵史, 山本篤史郎, 電子ビーム蒸着で作製した Fe-Si 二元系合金膜の磁気特性, 日本金属学会, 名古屋 (2014) 4) ポ 須藤和也, 山本篤史郎,Al 合金の機械的特性に及ぼす Al9FeNi 相の影響, 東京 (2014) 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 奨学 山本篤史郎,150 千円, 教育 資金 マグネシウム合金 軽金属奨学会 ( 平成 26 年 ) 学生教育 ( 主任指導 ) 博士前期課程 M2:3 名,M1:2 名 82

89 微生物生態を正または負に制御する新規技術の創出 代 表 池田 宰 所属 職名 工学研究科物質環境化学専攻 教授 連 絡 先 TEL: FAX: メンバー 農学部 : 二瓶賢一准教授 工学研究科 : 加藤紀弘教授 諸星知広准教授 奈須野恵理助教 キーワード 微生物 遺伝子工学 生物工学 天然物有機化学 Quorum Sensing ペプチド 工農連携 背景および目的 微生物は 発酵 物質生産など 様々な分野で利用されているが その効率化 新規機能の創出などが さらに求められている 一方 病原性 感染性 環境汚染など 微生物への対策 抑制が強く求められている分野も多い これら微生物生態を 正 または 負 に制御する技術は これまで 培養やプロセス制御などの分野で個別に進められてきていたが 微生物の増殖や酵素発現に伴う機能発現や物質生産などの解析と その結果に基づく新規制御素材の開発などには 農学と工学 生物学と化学などの多様な分野での融合研究が有効であることが明らかとなってきている そこで 本プロジェクトは 微生物の様々な生態や機能を 正または負に制御する新規技術の創出を目的として 微生物生態学 遺伝子工学 生物工学 材料工学 天然物有機化学 および 超分子化学 などの融合領域の研究者のグループにより実施するものである 研究 開発のターゲットは 抗菌活性を有する有用物質生産の促進 病原性や感染性の抑制 バイオフィルム形成制御などである プロジェクトの内容 細胞間情報伝達シグナル物質分解細菌の探索 細菌の生態の多くは 細胞間コミュニケーション機構により 正または負の制御が行われている これらの機構の一つに細胞密度依存的情報伝達機構 (Quorum Sensing: QS) が存在する QS ではシグナル物質を用いて周囲の細胞密度の増加を感知し 様々な遺伝子の発現が活性化される 一方 環境中にはシグナル物質分解能を有する細菌が存在しており 特にグラム陰性細菌のシグナル物質であるアシル化ホモセリンラクトン (AHL) 分解細菌は 病原性細菌の QS に制御される病原性発現を阻害可能であり 微生物農薬やプロバイオティクスとしての応用が期待されていることから 本研究では様々な環境中から AHL 分解細菌をスクリーニングし QS 阻害技術への応用を目指す 細胞間情報伝達機構の制御素材の設計 低分子化合物をシグナル物質として利用する微生物の QS 制御技術に着目した新規材料の設計 合成を行い その機能性を評価する QS 機構のシグナル物質を加水分解し不活化する酵素生産菌を包括固定した高分子ゲルビーズ 高分子カプセルを調製する QS シグナル物質を不活化し QS 機構を抑制する Quorum Quenching (QQ) 素材の開発を目指す QS 機構は感染症の発現 バイオフィルム形成など多様な生物機能を制御しており QS 機構を負に制御する素材がもたらす微生物生態の変化を追跡する 期待される効果 展開 QQ 細菌 QSシグナル酵素分解 不活化 微生物間情報伝達機構を負に制御する単分散高分子カプセル QS レギュレーターの分子設計 QS 発現に関わるシグナル物質の有機化学的な研究は 主に AHL およびその類縁体を用いて行われている しかしながら 他のシグナル物質を使った構造 - 活性相関研究はほとんど行われていない そこで パルミチン酸やラウリル酸などの脂肪酸を主鎖とする天然シグナル物質に着目してそれらの構造変換を行い バイオフィルムの生産および植物病原菌の増殖などの正負の生命現象を効率的に制御する QS レギュレーターの新規開発を目指す また それらをバイオプローブとして用い QS 発現のモレキュラーロジック解析を行う 本プロジェクトは インキュベーション推進の前段階として 異分野融合領域の新技術創成を目指している 具体的課題である QS の制御技術は その基礎段階から応用段階へと歩みを進めている QS は 病原性や感染性の発現 バイオフィルム形成など その抑制技術の開発が強く求められている分野と 物質生産など我々にとって有益となり その促進技術が求められる分野のそれぞれに関連しており QS を制御する技術開発は 既存の手法にはなかった 微生物生態を正または負に制御する技術の開発を実現する すなわち 本プロジェクトの成果は 医療 農業 工業 環境など 様々な分野で活用される可能性を有している 83 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門

90 プロジェクト 18 微生物生態を正または負に制御する新規技術の創出 ( 担当者 ) 池田宰, 二瓶賢一, 加藤紀弘, 諸星知広, 奈須野恵理 プロジェクト研究成果概要微生物利用の効率化 微生物の新規機能創出が求められている 微生物生態を 正 または 負 に制御する新規機能発現 新規素材の開発に農学 工学 生物学 化学などの多様な分野の立場から本プロジェクトはアプローチした 細菌では細胞間情報伝達機構により正または負の制御が行われている (Fig.1) グラム陰性細菌の菌体密度依存性 Quorum Sensing(QS) 機構では シグナル分子としてアシル化ホモセリンラクトン (AHL) を用いて菌体密度を感知し遺伝子発現を制 御する 本プロジェクトでは 環境試料から AHL 分解菌の単離に成功し QS 機構を抑制 (Quorum Quenching: Fig.1 細菌の細胞間情報伝達機構 (Quorum Sensing) 菌体密度依存性の遺伝子発現機構がシグナル分子の累積により活性化される QQ) する材料を設計 合成した 例として QQ 細菌を包括固定化した高分子カプセルの効果を Fig.2 に示す QS 機構により prodigiosin を生産する Serratia marcescens AS-1 を QQ 細菌カプセル存在下で培養試験した AHL シグナルが不活化し prodigiosin 生産を効果的に 負 に制御可能であることが判る この他にも脂肪酸を主鎖とする天然シグナル物質の構造変換 バイオフィルム形成阻害 植物病原菌の増殖などの生命現象を効率的に制御するレギュレーターを設計した Fig.2 (A) QQ 細菌包括固定化高分子カプセル (B) Serratia marcescens AS-1 培養液に QQ 細菌カプセルを浸漬し振盪培養 (30ºC, 16 h). (C) 高分子カプセルの添加による QQ 効果 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) F. F. Xu, T. Morohoshi, W. Z. Wang, Y. Yamaguchi, Y. Liang, T. Ikeda,Evaluation of the intraspecies interactions in biofilm formation by Methylobacterium species isolated from pink-pigmented household biofilms, Microb. Environ., 29, (2014) 2) S. Ochiai, S. Yasumoto, T. Morohoshi, T. Ikeda, AmiE, a novel N-acylhomoserine lactone acylase belonging to the amidase family, from the activated sludge isolate Acinetobacter sp. Ooi24, Appl. Environ. Microbiol., 80, (2014) 3) T. Morohoshi, T. Kato, N. Someya, T. Ikeda, Complete genome sequence of N- acylhomoserine lactone-producing Pseudomonas sp. strain StFLB209 isolated from potato phyllosphere, Genome Announc., 2, e (2014) 84

91 4) T. Morohoshi, W. Z. Wang, N. Someya, T. Ikeda, Complete genome sequence of Chryseobacterium sp. StRB126, an N-acylhomoserine lactone-degrading bacterium isolated from potato root, Genome Announc., 2, e (2014) 5) T. Kato, T. Morohoshi, S. Tsushima, T. Ikeda, Characterization of three types of quorum-sensing mutants in Burkholderia glumae strains isolated in Japan, J. Agric. Sci., 6, (2014) 6) E. Nasuno, C. Okano, K. Iimura, T. Morohoshi, T. Ikeda, N. Kato, Quick detection of cell-to-cell communication in gram-negative bacteria by color change of polymer matrix entrapping reporter bacteria, Mat. Res. Innovat., 18(34), S4-879 S4-883 (2014) 7) N. Takahashi, E. Nasuno, Y. T. Matsunaga, N. Kato, Enzymatic quorum quenching using complex microbial system in polymer microcapsules fabricated by microfluidic device, Trans. Mater. Res. Soc. Jpn., 39(4), (2014) 8) T. Iwadate, Y. Kashiwakura, N. Masuoka, Y. Yamada, K. Nihei, Chemical synthesis and tyrosinase inhibitory activity of rhododendrol glycoside, Bioorg. Med. Chem. Lett., 24, (2014) 9) J. Kamatani, T. Iwadate, R. Tajima, H. Kimoto, Y. Kashiwakura, Y. Yamada, N. Masuoka, I. Kubo, K. Nihei, Stereochemical investigation and total synthesis of inuloidin, a biologically active sesquiterpenoid from Heterotheca inuloides, Tetrahedron, 70, (2014) 10) C. Oode, W. Shimada, Y. Izutsu, M. Yokota, T. Iwadate, K. Nihei, Synthesis of dihydroresveratrol glycosides and their effects on B16F0 melanoma cells, Eur. J. Med. Chem., 87, (2014) 国際会議発表 (plenary lecture: PL, invited speaker IS, oral presentation: OP, poster presentation: PP) 1) *PP* T. Morohoshi, R. Sato, T. Yamaguchi, N. Someya, T. Ikeda, Identification and characterization of the N-acylhomoserine lactone-degrading gene from the coagulase-negative staphylococci (CNS), 5th ASM Conference on Cell-Cell Communication in Bacteria, San Antonio, USA (2014) 2) *PP* S. Ochiai, S. Yasumoto, T. Ikeda, T. Morohoshi, AmiE, a novel N- acylhomoserine lactone acylase belonging to the amidase family, from the activated sludge isolate Acinetobacter sp. Ooi24, 5th ASM Conference on Cell-Cell Communication in Bacteria, San Antonio, USA (2014) 3) *OP* M. Ishizuka, T. Morohoshi, T. Ikeda, Identification of signal molecules in bacterial quorum sensing related to foulant production resulting in biofouling, IWA Specialist Conference on Advances in Particle Science and Separation, Sapporo (2014) 4) *IS* T. Ikeda, M. Toyofuku, T. Morohoshi, S. Ito, E. Nasuno, K. Iimura, N. Nomura, N. Kato, Development of quorum sensing control techniques in gramnegative bacteria for wastewater treatment, Joint International Workshop "MBR for the Next Generation and Waste-to-Energy Conversion", Gunsan, Korea (2014) 5) *PP* T. Ikeda, T. Morohoshi, Y. Saito, S. Ito, N. Kato, Quorum quenching using modified cyclodextrins, The 17th International Cyclodextrin Symposium (ICS17), Saarland Univ., Saarbrücken, Germany (2014) 6) *PP* N. Kato, T. Umemura, M. Arai, C. Okano, K. Iimura, E. Nasuno, Control of bacterial intercellular communication due to the interaction between cyclodextrins and signaling molecules, The 17th International Cyclodextrin Symposium (ICS17), Saarland Univ., Saarbrücken, Germany (2014) 7) *PP* C. Okano, E. Nasuno, Y. Tsunematsu, R. Kawakami, K. Iimura, T. Morohoshi, T. Ikeda, N. Kato, Cyclodextrin-immobilized microspheres for uptake of N- 85

92 acylhomoserine lactone as the quorum sensing signal, The 17th International Cyclodextrin Symposium (ICS17), Saarland Univ., Saarbrücken, Germany (2014) 8) *PP* N. Kato, C. Okano, Y. Takayama, R. Kawakami, K. Iimura, E. Nasuno, Regulation of quorum sensing in gram-negative bacteria due to uptake of signaling molecules onto the artificial receptors, XIV International Congress of Bacteriology and Applied Microbiology, International Union of Microbiological Societies (IUMS2014), Montreal, Canada (2014) 9) *PP* Y. Takayama, E. Nasuno, T. Umemura, C. Okano, Y. Saito, S. Ito, K. Iimura, T. Morohoshi, T. Ikeda, N. Kato, Interaction analysis between quorum sensing receptor SpnR and its signaling molecule on a quartz crystal microbalance, XIV International Congress of Bacteriology and Applied Microbiology, International Union of Microbiological Societies (IUMS2014), Montreal, Canada (2014) 10) *PP* R. Kawakami, E. Nasuno, N. Takahashi, K. Iimura, T. Morohoshi, T. Ikeda, and N. Kato, Inhibitory control of quorum sensing due to enzymatic degradation of autoinducers by encapsulated bacteria, XIV International Congress of Bacteriology and Applied Microbiology, International Union of Microbiological Societies (IUMS2014), Montreal, Canada (2014) 11) *PP* N. Kato, C. Okano, Y. Takayama, T. Ogi, C. Endo, K. Iimura, E. Nasuno, Remote-control of gene expression due to artificial inhibition of bacterial cell-cell communication, IUMRS-ICA2014, Fukuoka (2014) 12) *OP* C. Okano, E. Nasuno, T. Morohoshi, K. Iimura, T. Ikeda, N. Kato, Cyclodextrin-immobilized core/shell microspheres to block bacterial quorum sensing, IUMRS-ICA2014, Fukuoka (2014) 13) *OP* N. Takahashi, E. Nasuno, Y. T. Matsunaga, N. Kato, Suppression of bacterial cell-cell communication in microcapsules prepared by co-axial microfluidic device, IUMRS-ICA2014, Fukuoka (2014) 14) *PP* C. Endo, C. Okano, T. Umemura, T. Ogi, Y. Takayama, E. Nasuno, K. Iimura, N. Kato, Biomimetic surfaces for suppressing bacterial quorum sensing, IUMRS- ICA2014, Fukuoka (2014) 15) *PP* E. Nasuno, T. Umemura, Y. Takayama, H. Sasa, K. Iimura, N. Kato, Bioaffinity analysis of quorum sensing receptor SpnR with spn box in Serratia marcescens using a quartz crystal microbalance technique, 5th ASM Conference on Cell-Cell Communication in Bacteria, San Antonio, USA (2014) 16) *PP* Y. Tsunematsu, E. Nasuno, K. Iimura, N. Kato, Suppressive Effect of immobilized hydrolase for the quorum sensing signal using polymer fibers fabricated by microfluidic device, 2nd International Conference of Young Researchers on Advanced materials (IUMRS-ICYRAM 2014), Hainan International Convention & Exposition Center (2014) 17) *OP* E. Nasuno, K. Iimura, N. Kato, Preparation of macroporous electrospun polymer fiber mats followed by enzymatic degradation of embedded colloidal chitin, 2nd International Conference of Young Researchers on Advanced materials (IUMRS-ICYRAM 2014), Hainan International Convention & Exposition Center (2014) 18) *PP* Y.-J. Kim, Y. Takahashi, N. Kato, Y. T. Matsunaga, Temperature-responsive bundled gel fiber using dynamic microfluidic gelation of a phase-separated polymer network, Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society- Asia Pacific Meeting (TERMIS-AP 2014), Daegu, Korea (2014) 19) *PP* Y.-J. Kim, Y. Takahashi, N. Kato, Y. T. Matsunaga, Cellulosic smart bundled gel fiber with switchable properties for biomaterials applications, The 10th SPSJ International Polymer Conference (IPC 2014), Tsukuba (2014) 20) *PP* R. Kawakami, E. Nasuno, K. Iimura, T. Morohoshi, T. Ikeda, N. Kato, Hydrolysis of signal molecules for bacterial cell-cell communication using 86

93 encapsulated quorum quenching bacteria, The 10th SPSJ International Polymer Conference (IPC 2014), Tsukuba (2014) 21) *PP* C. Endo, E. Nasuno, C. Okano, T. Ogi, K. Iimura, N. Kato, Inhibition of bacterial cell-cell communication using non-woven cyclodextrin-immobilized fiber mats prepared by electrospinning, The 10th SPSJ International Polymer Conference (IPC 2014), Tsukuba (2014) 22) *PP* H. Watanabe, Y. Obata, E. Nasuno, K. Iimura, N. Kato, Effects on the orientation of the photopolymerizable diacetylene molecule by electrospray, The 10th SPSJ International Polymer Conference (IPC 2014), Tsukuba (2014) 23) *PP* S. Ochiai, K. Yamada, T. Azuma, M. Ishizuka, T, Morohoshi, T. Ikeda, Quorum sensing and biofilm formation of Aeromonas hydrophila isolated from activated sludge treatment system, 11th International Symposium on Southeast Asian Water Environment (SEAWE), Bangkok, Thailand (2014) 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 招待 池田宰, 諸星知広, Quorum Sensing 制御に基づく MBR バイオファウリング抑制技術の開発, 化学工学会第 46 回秋季大会バイオ部会シンポジウム, 九州大学 (2014) 2) ポ 藤村侑司, 池田宰, 諸星知広, グラム陰性細菌中の Quorum Sensing を阻害する修飾シクロデキストリンの合成と機能解析, 環境微生物系学会合同大会 2014, アクトシティ浜松コングレスセンター (2014) 3) 依頼 諸星知広, ジャガイモ共生細菌間コミュニケーションを利用した植物病防除技術の開発, 日本植物病理学会第 26 回植物細菌病談話会, レスパール藤ケ鳴 (2014) 4) 依頼 諸星知広, 池田宰,Quorum Sensing シグナル物質分解遺伝子の多様性と応用, 第 66 回日本生物工学会大会, 札幌コンベンションセンター (2014) 5) ポ 落合聖史, 山田和希, 我妻隆樹, 石塚美和, 諸星知広, 池田宰, 活性汚泥処理システムに存在する Aeromonas hydrophila による Quorum Sensing 及びバイオフィルム形成の解析, 第 66 回日本生物工学会大会, 札幌コンベンションセンター (2014) 6) 一般 諸星知広, 富永良昭, 池田宰, 好熱性 Thermaerobacter 属細菌由来アシル化ホモセリンラクトン分解遺伝子の機能解析, 日本農芸化学会 2014 年度大会, 明治大学 (2014) 7) ポ 奈須野恵理, 飯村兼一, 諸星知広, 池田宰, 加藤紀弘, 高分散性コロイド状キチンを用いたキチン分解細菌の単離, 環境微生物系合同大会 2014, アクトシティ浜松コングレスセンター (2014) 8) ポ 岩舘丈央, 二瓶賢一, 化学的 酵素的変換を用いた生理活性ロドデンドロール酸化体の創製, 第 56 回天然有機化合物討論会, 高知県立県民文化ホール (2014) 9) 一般 岩舘丈央, 二瓶賢一, エピロドデンドリン酸化体の化学合成と生理活性評価, 日本農芸化学会 2014 年度大会, 明治大学 (2014) 10) 一般 大出知里, 小太刀悠佳, 島田亙, 井筒ゆき子, 二瓶賢一, ツバキ科ビベンジル配糖体の化学合成と生理活性評価, 日本農芸化学会 2014 年度大会, 明治大学 (2014) 他 6 件 著書, 総説, 解説等 1) 著書 池田宰, 諸星知広, 食品分野における微生物制御技術の最前線, 第 1 編第 2 章 微生物の Quorum Sensing, シーエムシー出版 (2014) 2) 著書 加藤紀弘, 奈須野恵理, ゲルテクノロジーハンドブック, 細菌感染症を予防するクオラムセンシング抑制ヒドロゲルの開発, (2014) 3) 解説 加藤紀弘, 動的ゲル化法を用いるヒドロゲルの構造制御と束状ゲルファイバーの創製, 化学工学,78, (2014) 87

94 特許 ( 外国, 国内, 公開, 出願 ) 1) 国内 出願, 加藤紀弘, 岡野千草 微生物製剤, 微生物フロック及びその製造方法 ( 平成 27 年 1 月 ) 2) 国内 出願, 加藤紀弘, 岡野千草 クオラムセンシング制御用樹脂粒子, 及びクオラムセンシングの制御方法 ( 平成 27 年 3 月 ) 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 受託 池田宰,17,889 千円, 科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業 JST CREST ナノテクノロジーとバイオテクノロジーの融合による革新的な水処理微生物制御技術の開発 ( 平成 26 年度 ) 2) 科研 池田宰,3,900 千円, 複合微生物群の制御によるバイオフィルム バイオファウリング抑制技術の開発 ( 平成 26 年度 ) 3) 受託 池田宰,920 千円, カテキン成分とサイクロデキストリンの包接体の抗菌作用に関する研究, 花王株式会社 ( 平成 26 年度 ) 4) 科研 諸星知広,1,100 千円, 病原性阻害技術への応用を目指した高機能アシル化ホモセリンラクトン分解酵素の探索 ( 平成 26 年度 ) 5) 受託 諸星知広,920 千円, 原水および膜面上の微生物コミュニケーション機構の解析と廃水処理技術への応用, 株式会社東芝 ( 平成 26 年度 ) 6) 奨学 諸星知広,460 千円, クオラムセンシング制御研究に関する奨学寄附金 小林製薬株式会社 ( 平成 26 年度 ) 7) 科研 加藤紀弘,600 千円, マイクロ流体デバイスを用いたバイオフィルムモデルの作成とバイオレメディエーション ( 平成 26 年度 ) 8) 受託 加藤紀弘,24,459 千円, 科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業 JST CREST ナノテクノロジーとバイオテクノロジーの融合による革新的な水処理微生物制御技術の開発 ( 平成 26 年度 ) 9) 奨学 加藤紀弘,460 千円, 機能性高分子担体の研究開発に関する奨学寄附金 アイオン株式会社 ( 平成 26 年度 ) 10) 科研 二瓶賢一,1,100 千円, 食品成分のインバース分析法を核とする生理活性物質創製スキームの構築 ( 平成 26 年度 ) 11) 受託 二瓶賢一,1,310 千円, 科学技術振興機構研究成果最適展開支援プログラム (A-STEP) 探索タイプ マルベリー成分の代謝予測型分子変換による新しい光老化防止剤の開発 ( 平成 26 年度 ) 12) 共同 二瓶賢一,450 千円, 生姜中の有効成分に関する研究 遠藤食品株式会社 ( 平成 26 年度 ) 13) 共同 二瓶賢一,450 千円, 高機能ポリフェノール還元体の開発 株式会社コスモステクニカルセンター ( 平成 26 年度 ) 14) 共同 二瓶賢一,360 千円, メグスリノキ中の親水性配糖体に関する研究 冨士鋼業株式会社 ( 平成 26 年度 ) 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 D3:1 名,D2:4 名,D1:1 名 博士前期課程 M2:7 名,M1:10 名 CDI プロジェクト関連の成果についての特記事項イ ) 報道 T. Ikeda, Water21, 4 月号 88

95 次世代エレクトロニクスへ向けた超伝導デバイスの開発 代表入江晃亘所属 職名工学研究科電気電子システム工学専攻 教授連絡先 TEL: FAX: メンバー北村通英教授, 柏倉隆之准教授, 八巻和宏助教, 村田健一郎 (D1) キーワード超伝導体 スピントロニクス ナノ構造 量子デバイス 背景および目的 (a) (b) 現代の高度情報化社会は, シリコンデバイスの微細化 集積化とともに発展を遂げてきたが, シリコンデバイスの性能向上は限界に近づきつつあり, 従来技術とは異なる視点からのデバイス開発が必要不可避である そのため, 近年, ナノエレクトロニクス技術を基盤とする新機能性材料開発や極微構造における量子力学的現象を直接制御 利用する量子効果デバイス開発を目指した研究が世界的に展開されている このような状況の中, 我々は, 銅酸化物高温超伝導体に内在する自然形成ナノ構造が量子効果デバイスのジョセフソン素子と同様な機能をもつことを発見した 本研究プロジェクトでは, 我々が発見した銅酸化物高温超伝導体ナノ構造に着目して, 超高速動作 低消費電力の特徴をもつ超伝導エレクトロニクスを基盤とした次世代デバイスの開発を目指し, 以下の研究を推進する (1) 材料組成によりナノ組織を制御することで新機能性材料を開発する (2) 固有ジョセフソン接合を利用した高効率テラヘルツ発振 検出素子を開発する (3) 磁性体 / 超伝導体複合構造を作製し, 従来の超伝導素子とスピントロニクス素子を融合した超伝導スピントロニクスデバイスを開発する プロジェクトの内容 本プロジェクトでは, 以下の項目を設定し, 研究を遂行する 1) ナノ組織制御による新機能性材料の開発ビスマス系高温超伝導体は, 元素組成比及び酸素含有量を変えたり, 元素置換により結晶構造 ( ナノ組織 ) が変化しうる 元素添加や合成条件が及ぼす自己形成ナノ構造への影響を明らかにすることにより, 材料固有の新機能性を探求する 2) 高効率テラヘルツ発振 検出素子の開発固有ジョセフソン接合のテラヘルツ波発振素子への応用が期待されているが, 自己発熱現象による発振周波数や発振出力の制限が課題となっている 本プロジェクトでは, デバイス構造や素子作製工程を検討する 図 1 固有ジョセフソン接合を利用した (a) テラヘルツ発振素子,(b) テラヘルツ検出素子 ことにより, 自己発熱現象を抑制し, 素子の高出力化を目指す また, 固有ジョセフソン接合検出素子を利用したテラヘルツ波高効率検出システムの構築を目指す 3) 超伝導スピントロニクスデバイスの開発ビスマス系高温超伝導体ナノ構造と強磁性からなる複合構造を作製し, スピン注入により超伝導特性を制御する超伝導スピントランジスタを開発する (a) I(-) I(+) SiO Co BSCCO Co/Au/IJJ /Au/Co stack V(+) Au contact V(-) 図 2 自然形成ナノ構造を利用した超伝導スピントランジスタ :(a) 縦型,(b) 横型 期待される効果 展開 (b) 本プロジェクトの遂行により, 以下のことが期待できる (1) 革新的なデバイス用機能材料の開発 (2) 取り扱いの簡便な固体テラヘルツ発振素子 検出素子の開発 (3) 固有ジョセフソン接合のテラヘルツ通信応用 (4) 高利得超伝導トランジスタの開発 (5) 超伝導現象とスピント輸送現象が融合した新しい量子輸送分野の開拓 89 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門

96 プロジェクト 19 次世代エレクトロニクスへ向けた超伝導デバイスの開発 ( 担当者 ) 入江晃亘, 北村通英, 柏倉隆之, 八巻和宏, 村田健一郎 プロジェクト研究成果概要本プロジェクトでは, ビスマス系高温超伝導体に内在する固有ジョセフソン接合を基盤とした超伝導デバイスの開発を目指して,1) 超伝導スピンデバイス,2) テラヘルツ発振素子を作製し, 以下の成果を得た 1) 超伝導スピンデバイス幅 50 m, 厚さ 3 m のストリップライン形状に微細加工したビスマス系高温超伝導体 (BSCCO) 単結晶上に Au/Co/Au 積層からなるスピン注入端子を形成し,BSCCO の面内方向の超伝導性を調べた結果, 印加磁場に対応して超伝導特性が変化することを明らかにした 図 1(a) は無磁場時の 77K における電流電圧特性と素子構造概略図, 図 1(b) は, スピン注入端子に一定電流をバイアスした時の素子電圧の磁場依存性である 素子電圧の磁場依存性はヒステリシスを示すことがわかる 2) テラヘルツ発振素子 BSCCO 単結晶表面を長さ 270mm, 幅 60mm のメサ構造に加工し ( 図 2 挿入図 ), 固有ジョセフソン接合からなるテラヘルツ発振素子を作製した 作製した素子の 4.2K における電流電圧特性の一部とバイアス電流に対するテラヘルツ波検出素子の出力電圧を図 2 に示す 素子の電流電圧特性の低バイアス電流領域 (I=1.6mA) における変曲点で発振ピークが観測された また, このとき発振周波数は,0.8THz 程度と見積もられた 図 1 超伝導スピンデバイスの特性 図 2 テラヘルツ波発振素子の特性 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) R. Rahmonov, Yu. M. Shukrinov, A. Irie : Parametric resonance in the system of long Josephson junctions, JETP Letters, vol. 99, pp (2014). 2) Yu. M. Shukrinov, A. E. Botha, S. Yu. Medvedeva, M. R. Kolahchi, A. Irie : 90

97 Structured chaos in a devil's staircase of the Josephson junction, CHAOS, vol. 24, p (12 pages) (2014). 3)M. Kitamura, Y. Uchiumi, A. Irie : Charge and spin currents in ferromagnet-insulator-superconductor tunneling junctions using Hg-1223 High-T Superconductor, Inter. J. Supercond., vol. 2014, Article ID (15 pages) (2014). 4) 八巻和宏, 田村晃一, 入江晃亘 : BSCCO サブテラヘルツ発振素子の電流電圧特性と放射特性 液体ヘリウムによる直接冷却からみる自己発熱効果, 低温工学, vol. 49, pp (2014) 5) A. Irie, M. Otsuka, K. Murata, K. Yamaki, M. Kitamura : Influence of spin injection on the in-plane and out-of-plane transport properties of BSCCO single crystal, IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 25, 2015 国際会議発表 (plenary lecture:pl, invited speaker:is, oral presentation:op, poster presentation:pp) 1)*OP* Yu.Shukrinov, S. Medvedeva, A. Botha, M. Kolahchi, A. Irie : Josephson Junctions under external radiation: Devil's Staircases and Continued Fractions, The 59th Annual Conference of the SA Institute of Physics (SAIP 2014), July 7-11, 2014, (2014) 2)*PP* A. Irie, M. Otsuka, K. Murata, K. Yamaki, M. Kitamura : Influence of spin injection on the in-plane and out-of-plane transport properties of BSCCO single crystal, Applied Superconductivity conference 2014 (ASC 2014), August 10-15, Charlotte, USA (2014) 3) *IS* A. Irie, Y. Kuranari, K. Akasaka, K. Murata, K. Yakamki : Fabrication and Characterization of Intrinsic Josephson THz Oscilators, The 9th International Symposium on Intrinsic Josephson Effects and THz Plasma Oscillations in High-Tc Superconductors (THz-Plasma 2014), Kyoto, Nov Dec. 3 (2014) 4)*PP* I. Rahmonov, Yu. Shukrinov, A. Irie : Novel collective excitations in the stack of long Josephson junctions, The 9th International Symposium on Intrinsic Josephson Effects and THz Plasma Oscillations in High-Tc Superconductors (THz-Plasma 2014), Kyoto, Nov Dec. 3 (2014) 5)*PP* S. Yu. Medvedeva, Yu. M. Shukrinov, A. E. Botha, M. R. Kolahchi, A. Irie : Chaos in the stack of coupled Josephson junctions, The 9th International Symposium on Intrinsic Josephson Effects and THz Plasma Oscillations in High-Tc Superconductors (THz-Plasma 2014), Kyoto, Nov Dec. 3 (2014) 91

98 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 一般 村田健一郎, 小瀧侑央, 加藤孝弘, 八巻和宏, 入江晃亘 : 希塩酸改質法によるビスマス系高温超伝導体スピンデバイスの作製, 第 75 回応用物理学会学術講演会. (2014). 北海道大学 2) 一般 八巻和宏, 田村晃一, 入江晃亘 :" BSCCO 固有接合からの高次モード発振の実現に向けた取り組み ", 第 75 回応用物理学会学術講演会. ( ). 北海道大学 3) 一般 村田健一郎, 赤坂圭司, 八巻和宏, 入江晃亘 : 大面積固有ジョセフソン接合のリトラッピング特性, 第 62 回応用物理学会春季学術講演会.(2014). 東海大学 4) 一般 村田健一郎, 赤坂圭司, 八巻和宏, 入江晃亘 : 大面積固有ジョセフソン接合のリトラッピング特性, 第 62 回応用物理学会春季学術講演会.(2014). 東海大学 5) 一般 赤坂圭司, 倉成友理, 八巻和宏, 入江晃亘 : 塩酸改質法により作製した固有ジョセフソン接合テラヘルツ波発振素子.(2014). 東海大学 6) ポ 八巻和宏, 入江晃亘 :" 希塩酸改質法によるビスマス系高温超伝導体スピンデバイスの作製 ", 第 75 回応用物理学会学術講演会. (2014). 北海道大学 7) ポ 倉成友理, 田崎翼, 八巻和宏, 入江晃亘 : " テラヘルツ発振素子応用へ向けた直列接続固有接合メサ構造 ", 第 75 回応用物理学会学術講演会. (2014). 8) ポ 名和優志, 小瀧侑央, 加藤孝弘, 八巻和宏, 入江晃亘 :" ビスマス系高温超伝導体単結晶を用いたブリッジ接合の作製 ", 第 75 回応用物理学会学術講演会. ( ). 北海道大学 9) ポ 八巻和宏, 番場幸大, 入江晃亘 : RuO 2 単結晶の合成とその特性評価.(2014). 東海大学他 4 件 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 科研 八巻和宏, 4,030 千円 外部共振回路との結合による高温超伝導体発振素子の高出力化 若手 (B)( 平成 26 年 -28 年 ) 2) 奨学 八巻和宏,2,000 千円 直接冷却による銅酸化物超伝導体 BSCCO 固有ジョセフソン接合系からのテラヘルツ帯高次高調波の発生と YBCO 検出素子を用いた発振機構の解明 公益財団法人日揮 実吉奨学会 ( 平成 25 年 -26 年 ) 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 D3:0 名,D2:0 名,D1:2 名 博士前期課程 M2:7 名,M1:2 名 92

99 植物ゲノムの自在改変による バイオ物質生産イノベーション 代 表 児玉 豊 所属 職名 バイオサイエンス教育研究センター 准教授 連 絡 先 TEL: FAX: キーワード 植物 ゲノム改変 物質生産 バイオテクノロジー 背景および目的 本研究では 植物ゲノムの自在改変によるバイオ物質生産技術のイノベーション創出を目的とする 日本経済の維持に欠かせない物質のひとつが石油である 石油は 燃料となるだけでなく 合成繊維やプラスチック 化粧品などの様々な化学製品の原料にもなるが 日本の石油自給率は 1% にも満たず その供給の 99% 以上を海外からの輸入に頼っている このような石油依存の物質生産から脱却するためには 植物によって二酸化炭素から石油代替物質 ( バイオ物質 ) を作り出す技術が有効と考えられており 遺伝子組換えなどによる植物ゲノム改変が強力な研究戦略と思われる しかし これまでの報告では 植物を用いて作り出すことができるバイオ物質生産量はわずかであり さらに特定の物質しか生産できていない その原因のひとつは 植物ゲノムを自在に改変することが難しいことであり 技術的なブレークスルーを起こす必要がある そこで本研究では植物ゲノムの自在改変技術の開発に取り組むことによってバイオ物質生産イノベーションを目指す プロジェクトの内容 植物ゲノム改変のうち (1) 効率的な外来遺伝子導入 (2) 多重遺伝子発現 (3) ゲノム配列の位置選択的破壊 (4) ゲノム配列への外来遺伝子の位置選択的挿入 の 4 項目について研究を展開する 以下にわけて 説明する (1) 効率的な外来遺伝子導入植物の遺伝子導入法には アグロバクテリウム法 パーティクルボンバードメント法 エレクトロポレーション法 ペプチド法などがある これらのうち 本プロジェクトでは アグロバクテリウム法やペプチド法などの遺伝子導入技術の改良を行うことで 植物への効率的な遺伝子導入法を確立する これに関連して これまでいくつかの研究成果が得られている Biomacromolecules 14: (2013); Plant and Cell Physiology 55: (2014) (2) 多重遺伝子発現現在 利用されている多重遺伝子発現システムは 複数の遺伝子制御領域 ( プロモーターなど ) を用いて行われているため 遺伝子発現の抑制が生じる場合がある またひとつの遺伝子制御領域と IRES (Internal Ribosome Entry Sites) を用いた多重遺伝子発現システムもあるが それぞれの遺伝子発現量比などを厳密に制御することができない そこで本プロジェクトでは 全く新しい遺伝子発現制御技術を用いて多重遺伝子発現システムの構築を試みる (3) ゲノム配列の位置選択的破壊近年 人工制限酵素 (ZFN, TALEN, CRISPR/Cas など ) によるゲノム配列の位置選択的破壊が注目されている 本プロジェクトでは これに関連した技術開発を行うことで 新しい実験システムを提供する (4) ゲノム配列への外来遺伝子の位置選択的挿入既存の遺伝子組み換え技術では 植物ゲノム配列への外来遺伝子の挿入はランダムに起こるため 挿入位置を選択することが難しい そこで 本プロジェクトでは 外来遺伝子を目的ゲノム配列の位置に挿入可能な技術開発に取り組む 以上のゲノム改変技術を駆使して 様々な酵素群を植物細胞内に発現し 光合成を使って二酸化炭素から石油の代替となるバイオ物質を効率的に生産することを目指す 期待される効果 展開 本研究プロジェクトが完成した場合 植物ゲノムの自在改変が可能となるため バイオ物質を生産する酵素群を複数かつ目的のゲノム配列位置に効率的に挿入することができるようになる それに加えて 内在性遺伝子の選択的な破壊によって バイオ物質の前駆物質量の増加も可能となるため 効率的にバイオ物質の生合成を行うことができると思われる 研究室ホームページ分子細胞生物学研究室 ( 児玉研究室 ) URL: 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門 93

100 プロジェクト 20 植物ゲノムの自在改変によるバイオ物質生産イノベーション ( 担当者 ) 児玉豊 プロジェクト研究成果概要担当者が主宰する研究室では 植物ゲノムの自在改変によるバイオ物質生産イノベーション ( 右図 ) を目指して 植物ゲノム改変のうち (1) 効率的な外来遺伝子導入 (2) 多重遺伝子発現 (3) ゲノム配列の位置選択的破壊 (4) ゲノム配列への外来遺伝子の位置選択的挿入の 4 項目について研究を行っている イノベーション創成部門としてサポートしていただいた平成 26 年度は (1) 効率的な外来遺伝子導入 を中心に実施した その結果 主な成果として アグロバクテリウムを介した効率的な形質転換技術 ( アガートラップ法 ) の開発 (J Plant Res 2015, 植物の生長調節 2015),PEG 法を使った遺伝子導入による植物マーカータンパク質の選抜 (Plant Biotechnol 2015) に成功した アガートラップ法に関連した研究は 笹川科学研究奨励賞 ( 日本科学協会 ) を受賞し 下野新聞に掲載された (2014 年 5 月 27 日 ) また共同研究としてペプチドを使った新しい遺伝子導入技術の開発 (Plant Biotechnol J 2014, Sci Rep 2015, Plant Biotechnol 2015) にも成功した これについては 科学新聞に掲載された (2015 年 2 月 10 日 ) また関連した PCT 出願も行った (PCT/JP2015/057221) 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) Fujii Y, Kodama Y (2015) In planta comparative analysis of improved green fluorescent proteins with reference to fluorescence intensity and bimolecular fluorescence complementation ability. Plant Biotechnol, 32: ) Lakshmanan M, Yoshizumi T, Sudesh K, Kodama Y, Numata K (2015) Double stranded DNA introduction into intact plant using peptide-dna complexes. Plant Biotechnol, 32: ) Tsuboyama-Tanaka S, Kodama Y (2015) AgarTrap-mediated genetic transformation using intact gemmae/gemmalings of the liverwort Marchantia polymorpha L. J Plant Res, 128: ) Chuah JA, Yoshizumi T, Kodama Y, Numata K (2015) Gene introduction into the mitochondria of Arabidopsis thaliana via peptide-based carriers. Sci Rep, 5: ) Numata K, Ohtani M, Yoshizumi T, Demura T, Kodama Y (2014) Local gene silencing in plants via synthetic dsrna and carrier peptide. Plant Biotechnol J, 12:

101 国際会議発表 (plenary lecture: PL, invited speaker IS, oral presentation: OP, poster presentation: PP) 1) *PP* Tsuboyama-Tanaka S and Kodama Y AgarTrap technology for genetic transformation of Marchantia polymorpha L. International Marchantia Workshop 2014, Kobe, Japan (2014) 2) *PP* Sakaguchi M, Kodama Y, Otani Y Spectroscopic mueller matrix microscope using dual-rotating retarders Biomedical Imaging and Sensing Conference 2014, Yokohama, Japan (2014) 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) ポ 藤井雄太, 児玉豊 植物細胞を用いた BiFC 競合分析 ; タンパク質間相互作用を正しく判断するための適切な実験デザイン 第 56 回日本植物生理学会年会 東京 3 月 2015 年 2) ポ 田中( 坪山 ) 祥子, 児玉豊 ゼニゴケ成熟葉状体切片の迅速なアガートラップ形質転換 第 56 回日本植物生理学会年会 東京 3 月 2015 年 3) ポ 濵島典子, 児玉豊 アガートラップ法を用いたゼニゴケ T-DNA 挿入突然変異体集団の作出 第 56 回日本植物生理学会年会 東京 3 月 2015 年 4) ポ 佐藤友哉, 児玉豊, 石崎公庸, 河内孝之, 井上悠子, 森安裕二 ゼニゴケ葉状体の暗誘導老化に関する突然変異体の単離と解析 第 78 回日本植物学会大会 川崎 9 月 2014 年 5) ポ 藤井雄太, 小笠原有香, 小松愛乃, 和田正三, 河内孝之, 児玉豊 ゼニゴケにおける葉緑体の低温応答運動のフォトトロピン依存性 第 78 回日本植物学会大会 川崎 9 月 2014 年 6) 依頼 田中( 坪山 ) 祥子, 児玉豊 アガートラップ法の開発 : 寒天に捕らえたゼニゴケを簡単に形質転換する 第 32 回日本植物細胞分子生物学会大会 シンポジウム 植物形質転換デザインの最前線 盛岡 8 月 2014 年 7) 一般 沼田圭司, 大谷美沙都, 吉積毅, 出村拓, 児玉豊 dsrna-ペプチド複合体の導入による一過性 RNAi 技術の開発 第 32 回日本植物細胞分子生物学会大会 盛岡 8 月 2014 年 8) 一般 Chuah Jo-Ann, 吉積毅, 児玉豊, 沼田圭司 Engineered peptides for mitochondria-targeted gene delivery in intact plants 第 32 回日本植物細胞分子生物学会大会 盛岡 8 月 2014 年 9) 一般 木村俊, 児玉豊 低温誘導性のオルガネラ定位運動に関わる細胞骨格分子 第 32 回日本植物細胞分子生物学会大会 盛岡 8 月 2014 年 10) 一般 田中( 坪山 ) 祥子, 児玉豊 アガートラップ法によるゼニゴケ無性芽の簡便な形質転換 第 32 回日本植物細胞分子生物学会大会 盛岡 8 月 2014 年他 3 件 95

102 著書, 総説, 解説等 1) 総説 田中 ( 坪山 ) 祥子 児玉豊, アガートラップ法 : 寒天に捉えたゼニゴケを簡単 に形質転換する, 植物の生長調節,50, 印刷中 (2015) 特許 ( 外国, 国内, 公開, 出願 ) 1) PCT 出願, 沼田圭司 吉積毅 児玉豊, 植物の形質転換法 PCT/JP2015/ ( 平成 27 年 3 月 ) 1) 国内 出願, 児玉豊, 植物栽培に適した光強度の判別方法 特願 ( 平成 26 年 7 月 ) 受賞 1) 児玉豊, 笹川科学研究奨励賞 ( 日本科学協会 ) (2014 年 4 月 ) 2) 吉村彩香 藤井雄太 児玉豊, 優秀ポスター賞 ( 第 4 回オプトバイオシンポジウム )(2014 年 12 月 ) 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 科研 児玉豊,1,900 千円 ゼニゴケT-DNA 挿入変異体集団を用いたオルガネラ低温定位運動の制御遺伝子探索 代表( 平成 26 年 ) 2) 受託 児玉豊,3,000 千円 ゲノム編集技術と開花促進技術の普及と高度化 分担 ( 平成 26 年 ) 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 D3:0 名,D2:0 名,D1:0 名 博士前期課程 M2:1 名,M1:3 名 CDI プロジェクト関連の成果についての特記事項イ ) 報道 2 件下野新聞児玉豊, 笹川科学研究奨励賞 (2014 年 5 月 27 日 ) 科学新聞ジョアン チュア, 沼田圭司, 児玉豊, 吉積毅, 植物ミトコンドリアへ遺伝子を選択的に導入 (2015 年 2 月 10 日 ) 96

103 非侵襲生体情報計測と生体モデリングに関する研究開発 代表嶋脇聡所属 職名工学研究科 准教授連絡先 TEL: FAX: メンバー酒井直隆 中林正隆キーワード非侵襲生体計測 福祉工学 CAVI 動脈硬化 前腕回旋動作 シミュレーション 背景および目的 平成 25 年 6 月に 健康 医療戦略推進本部 が官邸に設置され 健康 医療戦略 がまとめられた ここで 新技術 新サービスの創出が目標として挙げられた 研究開発の重点推進領域として がん領域 と その他の疾患領域 に区分された その他の疾患領域 の中で 動脈硬化を中心とした生活習慣病の発症予防および重症予防に資する新たな生体指標の開発 が明記されている このような目標が掲げられた要因は 日本人の死因が がん 心疾患 肺炎 脳血管疾患であるためである 心疾患と脳血管疾患は生活習慣病との関連が認められている 健康 医療戦略 において 平均寿命と健康寿命が述べられている 平均寿命とは生まれてから死ぬまでの平均期間であるが 高齢時では寝たきりの状態が長く続いてしまう 一方 健康寿命とは 平均寿命の中で 寝たきりや要介護とならずに 健康で生きた平均期間である ここでは 両者の差を短縮することを大きな課題と挙げている 平成 22 年において 平均寿命は男性で 79.6 歳 女性で 86.4 歳 健康寿命は男性で 70.4 歳 女性で 73.6 歳であった この課題を達成する一つの方法が家庭内での 予防 早期発見となる 本研究開発では 2 つのテーマ ( 非侵襲生体情報計測 生体モデリング ) を行う 非侵襲生体計測ではカフを用いた計測を実施する 生体モデリングでは アニメーションソフウエアを用いた生体動作解析などを行う プロジェクトの内容 1 非侵襲生体情報計測血圧値は家庭用血圧計で計測できるが それ以外の指標は家庭内計測が困難である 非侵襲な指標として 脈波伝播速度 (PWV) などがある その中でも 上腕 - 足首間脈波伝播速度 (bapwv) は日本でよく使用されている また bapwv の血圧依存性を少なくした心臓足首血管指数 (CAVI 図 1) は日本特有な方法である しかし これらの方法は家庭内で計測されることは無い その理由は 装置が高額であることと 使用者のみで操作できない点にある 使用者のみで操作するためには 仰臥位より座位で計測する方が都合が良い しかし 今までの研究において これらの指標に及ぼす測定姿勢の影響を調査した報告は少ない そこで CAVI に及ぼす計測姿勢の影響を調査する 2 生体モデリング肘関節は日常生活およびスポーツ活動, 労働において非常に重要な役割をもつ. 肘関節の運動として, 肘関節を中心に腕を曲げたり伸ばしたりする肘屈伸運動と, 手掌面を上 下方向へ向ける前腕の回旋運動がある しかし 事故などによって骨折が生じた場合 回旋運動に支障を来たす 転倒などに手関節を伸展状態で地面に手掌をつくと 橈骨骨頭が骨折する場合がある このような骨折を 一般的に コーレス骨折と呼ぶ 骨折の程度により 手術をするか 運動療法にするか分かれる CT MRI で前腕を撮影して ヒト前腕モデルを作成する コーレス骨折を生じさせた場合の回旋限界をアニメーションソフトウエアにて解析する 期待される効果 展開 CAVI に及ぼす計測姿勢の影響 に関する研究は医学系研究者は行わない しかし その研究データは学術面と産業面に大きなインパクトを与えると考えられる よって このような研究は 健康 医療戦略 に述べられたように政府戦略に準じているため 外部資金獲得などを優位に実施できると思われる 97 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門 図 1 CAVI 計測方法

104 プロジェクト 21 非侵襲生体情報計測と生体モデリングに関する研究開発 ( 担当者 ) 嶋脇聡 酒井直隆 中林正隆 プロジェクト研究成果概要 1 心臓足首血管指数 (CAVI) に及ぼす計測姿勢の影響計測姿勢が CAVI にどのような影響を与えるのか調査 検討することを目的とした. 立位, 座位, 仰臥位と計測位を変えた場合, 膝関節角度を変えた場合, リクライニングチェアの背もたれの角度を変えた場合の 3 つの点から, 比較 検討を行った. 年齢の異なる被験者 45 人に実施し, 以下の結論を得た. 座位および立位の CAVI 値は, 仰臥位の CAVI 値より有意 (p<0.01) に高値であった. また, 仰臥位 CAVI と座位および立位 CAVI の間に相関があった. 仰臥位と座位の CAVI 値の間に正の相関が認められた (r=0.72). よって, 座位における CAVI が計測の可能性を示した. 2 橈骨変形治癒における前腕回旋のシミュレーションヒト前腕の CT,MRI を用いて仮想空間上に前腕モデルを作製し, ヒト前腕の橈尺関節による回旋動作をシミュレーションした. 図 1のように骨を剛体, 筋 靭帯をバネで近似した. また, 正常モデルと橈骨変形治癒モデルとの挙動の比較した. 骨形状を再現したヒト右腕部の 3 次元モデルにおいて, 回内 回外動作は十分な動図 1 前腕の骨モデルと筋バネモデル作角度を得ることができた. 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) S. Shimawaki, Y. Kobayashi, M. Nakabayashi, N. Sakai: Non-invasive Serum Cholesterol Detection Using Near-infrared Light Transmission. Biomedical Engineering Research, 3, pp.80-87, (2014). 2) S. Shimawaki, M. Toda, M. Nakabayashi, N. Sakai: The effect of measurement position on brachial ankle pulse wave velocity. Acta of Bioengineering and Biomechanics, in press, (2015). 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 一般 嶋脇聡, 紺野恭正, 中林正隆, 酒井直隆 物体把持における母指爪変形ひずみの計測, 第 27 回バイオエンジニアリング講演会,(2015) 2) 一般 遊佐和麻, 嶋脇聡, 中林正隆, 酒井直隆 心臓足首血管指数 (CAVI) に及ぼす計測姿勢の影響, 日本機械学会関東支部第 21 期総会講演会,(2015) 98

105 3) 一般 吉田和樹, 嶋脇聡, 中林正隆, 酒井直隆 座位における下肢カフ圧変動と動 脈速度に及ぼす膝屈曲角度の影響, 日本機械学会関東支部第 21 期総会講演会, (2015) 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 科研 嶋脇聡,1,600 千円 安定した円柱物体把持を可能とする母指の非対称性構造の解明 挑戦的萌芽研究 ( 平成 26 年 ) 2) 共同 嶋脇聡,210 千円 手背および前腕静脈注射シミュレータの改良及び評価 株式会社シンデン ( 平成 26 年 ) 3) 奨学 嶋脇聡,1,000 千円 膝屈曲時に発生する足首カフ圧の長周期振動の解明 公益財団法人 JKA 機械振興補助事業研究補助 ( 平成 26 年 ) 学生教育 ( 主任指導 ) 博士前期課程 M1:1 名 99

106 プロジェクト 22 フェムト秒レーザー加工における超並列パルス制御による高度化 ( 担当者 ) 早崎芳夫, 長谷川智士, 石川慎二 プロジェクト研究成果概要超並列パルスによる加工において,2 つのことを実施した.1つは, フェムト秒レーザーパルスを複数に分割することに加えて, 偏光を制御することによる, 光パルスの多自由度同時制御である. 我々は, 世界に先駆け,2つのホログラムを使用し, レーザーパルスの空間分布と偏光の同時制御を成功した. 図 1 に示すように, 複数のベクトルビームの 3 次元的な同時再生によるガラス内部へのナノ微細構造の一括加工を初めて実現した. もう1つは, これまでの並列度を遙かに超える数並列ビームの生成である. これまで, 大規模な並列加工では, ホログラム再生像における強度の均一性の維持が困難となるため, 多点同時加工に関する報告例はなかった. 我々は, 図 2に示すように, ホログラムの光学システム内最適化を行い,1000 を超える並列ビームの生成し, 並列加工に成功した. 図 1 ラジアル偏光とアジマス偏光の同時生成による加工 図 点並列加工 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) Haruyasu Itoh, Satoshi Hasegawa, Yoshio Hayasaki, and Haruyoshi Toyoda, Holographic laser processing using spatial light phase modulator, The Review of Laser Engineering, Vol. 43, No. 4 (2015). (In Japanese). 2) Kazuki Sakuma, Satoshi Hasegawa, Hidetomo Takahashi, Michiharu Ota, and Yoshio Hayasaki, Holographic laser sweeper for in-process debris removal, Applied Physics B, (online first) (2015). 3) Pham Duc Quang and Yoshio Hayasaki, Optical frequency comb profilometry using a single-pixel camera composed of digital micro-mirror devices, Applied Optics, Vol. 54, Issue 1, pp. A39-A44 (2015). 4) Boaz Jessie Jackin, Hiroaki Miyata, Takeshi Ohkawa, Kanemitsu Ootsu, Takashi Yokota, Yoshio Hayasaki, Toyohiko Yatagai, and Takanobu Baba, Distributed calculation method for large pixel number holograms by decomposition of object and hologram planes, Optics Letters, Vol. 39, Issue 24, pp (2014). 5) Hirotsugu Yamamoto, Hayato Nishimura, Tetsuya Abe, and Yoshio Hayasaki, Large stereoscopic LED display by use of parallax barrier of aperture grille type, Chinese Optics Letters Vol. 12, 100

107 Issue 6, (2014). 6) Satoshi Hasegawa and Y. Hayasaki, Holographic vector wave femtosecond laser processing, International Journal of Optomechatronics, Vol. 8, No. 2, pp (2014). 7) Yoshio Hayasaki and Akira Sato, Holographic three-dimensional motion detection of an optically trapped sub-100 nm gold nanoparticle, Optics Communications Vol. 322, pp (2014). 国際会議発表 (plenary lecture:pl, invited speaker:is, oral presentation:op, poster presentation:pp) 1) *IS* Yoshio Hayasaki and Quang Duc Pham, Optical frequency comb profilometry using a single pixel camera, SPIE Photonics Europe (Brussels, Belgium, April 14-17, 2014). 2) *IS* Yoshio Hayasaki, Position measurements of an optically-trapped gold nanoparticle using a twilight-filed optical microscope, 2014 Collaborative Conference on Materials Research (CCMR) (Seoul, Korea, June 23 27, 2014) 3) *IS* Yoshio Hayasaki and Quang Duc Pham, Optical frequency comb imaging using a single pixel camera, 13th Workshop on Information Optics (Neuchâtel, Switzerland July 7 11, 2014). 4) *IS* Yoshio Hayasaki, Holographic femtosecond laser processing, AOM2014 (Xi an, China, Sep , 2014). 5) *IS* Yoshio Hayasaki, Invitation to holographic femtosecond laser nanofabrication, The annual International Conference on Manipulation, Manu-facturing and Measurement on the Nanoscale (3M-NANO), (Taipei, Taiwan, Oct, 2014). 6) *IS* Satoshi Hasegawa, Holographic vector-wave femtosecond laser processing, The annual International Conference on Manipulation, Manu-facturing and Measurement on the Nanoscale (3M-NANO), (Taipei, Taiwan, Oct, 2014). 7) *IS* Yoshio Hayasaki, Holographic Position Measurements of A Nanoparticle, Taiwan/Japan Special Session on Digital Holography in Optics & Photonics Taiwan, the International Conference (OPTIC) 2014, (National Chung Hsing University, Taichung, Taiwan, Dec. 4-5, 2014) 8) *IS* Yoshio Hayasaki and Quang Duc Pham, Optical frequency comb profilometry using a single-pixel camera composed of digital micro-mirror devices, The 4th Japan-Korea Workshop on Digital Holography and Information Photonics (DHIP 2014), (Naha, Okinses, Dec , 2014). 9) *OP* Boaz Jessie Jackin, Hiroaki Miyata, Takanobu Baba, Takeshi Ohkawa, Kanemitsu Ootsu, Takasi Yokota, Yoshio Hayasaki, Toyohiko Yatagai, A decomposition method for fast calculation of large scale CGH on distributed machines OSA Digital Holography and Three-Dimensional Imaging(DH), (Seattle, Washington, USA, July 2014). 10) *OP* Quang Duc Pham and Yoshio Hayasaki, Application of two-frequency method to optical frequency comb profilometry for a long-depth object measurement, OSA Digital Holography and Three-Dimensional Imaging(DH), (Seattle, Washington, USA, July 2014). 11) *OP* Shinji Ishikawa and Yoshio Hayasaki, Size measurement of nanostructure using digital superresolution interference microscopy, OSA Digital Holography and Three-Dimensional Imaging(DH), (Seattle, Washington, USA, July 2014). 12) *OP* Yoshio Hayasaki and Kazufumi Goto, Holographic position measurements of an optically-trapped gold nanoparticle using twilight-field microscope, International Symposium on Optomechatronic Technologies (ISOT) 2014 (Washington Univ., Seattle, USA, Nov. 5-7, 2014). 13) *PP* Kazufumi Goto and Yoshio Hayasaki, Holographic position measurement of an optically-trapped gold nanoparticle using twilight-field optical microscopy, The 4th Japan-Korea Workshop on Digital Holography and Information Photonics (DHIP 2014), (Naha, Okinses, Dec , 2014). 14) *PP* Kota Kumagai and Yoshio Hayasaki, Volumetric display with a multilayered fluorescence screen and holographic parallel optical access, The 4th Japan-Korea Workshop on Digital Holography and Information Photonics (DHIP 2014), (Naha, Okinses, Dec , 2014). 15) *PP* Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki, Holographic femtosecond laser processing with full control of phase distribution and polarization states of light, 2014 International Conference on Optomechatronic Technologies (ISOT 2014), (Seattle, USA, 5-7 November, 2014). 16) *IS* Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki, Holographic vector-wave femtosecond laser processing, The 4th International Conference on Manipulation, Manufacturing and Measurement 101

108 on the Nanoscale (3M-NANO 2014), (Taipei, Taiwan, October, 2014). 17) *OP* Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki, Three-dimensional femtosecond laser processing using holographic vector-wave, The 9th International Conference on Photo-Excited Processes and Applications (ICPEPA-9), (Matsue, Japan, 30 September - 3 October, 2014). 18) *PP* Kazuki Sakuma, Satoshi Hasegawa, Hidetomo Takahashi, Michiharu Ota and Yoshio Hayasaki, Holographic laser sweep for debris removal using line-shaped beam irradiation, The 9th International Conference on Photo-Excited Processes and Applications (ICPEPA-9), (Matsue, Japan, 30 September - 3 October, 2014). 19) *OP* Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki, Holographic vector-wave femtosecond laser processing, The 15th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM 2014), (Vilnius, Lithuania, June, 2014). 20) *PP* Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki, Holographic vector wave femtosecond laser processing, The First Smart Laser Processing Conference (SLPC) 2014, (Yokohama, Japan, April, 2014). 21) *PP* Kazuki Sakuma, Satoshi Hasegawa, Hidetomo Takahashi, Michiharu Ota and Yoshio Hayasaki, Holographic laser sweep using line-shaped beam for debris removal, The 9th International Conference on Optics-photonics Design & Fabrication (ODF) 2014, (Itabashi, Tokyo, Japan, February, 2014). 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 依頼 早崎芳夫, ファムドッククアン, 単一画素カメラを用いた光周波数コム形状計測 光設計研究グループ第 54 回研究会 ( 宇都宮大学,2014 年 7 月 25 日 ). 2) 依頼 早崎芳夫, ホログラフィックレーザー加工技術の高度化と産学連携による推進 とちぎ光産業振興協議会主催光融合技術イノベーションセンター研究成果発表会 ( マロニエプラザ, 宇都宮,2014 年 9 月 8 日 ). 3) 依頼 早崎芳夫, 若手研究者のセルフプロモーション 2014, 第 14 回情報フォトニクス研究グループ研究会 ( 秋合宿 ) ( 京都,2013 年 9 月 日 ). 4) 招待 早崎芳夫, ホログラフィックフェムト秒レーザー加工の進展, レーザー加工学会第 82 回レーザ加工学会講演会 ( 独立行政法人産業技術総合研究所臨海副都心センター別館, 2015 年 1 月 13 日 ) 5) 依頼 早崎芳夫, フェムト秒レーザーとホログラフィ, 理研セミナー, 理化学研究所仙台地区, 2015 年 2 月 4 日 ) 6) 依頼 長谷川智士, 早崎芳夫, ホログラフィックベクトル波フェムト秒レーザー加工, Optics & Photonics Japan 2014,( 筑波大学東京キャンパス文京校舎,2014 年 11 月 5-7 日 ). 他,38 件 著書, 総説, 解説等 1) 著書 Yoshio Hayasaki, Chapter 8: Holographic Three-Dimensional Measurement of an Optically Trapped Nanoparticle in Multi-dimensional Imaging (Edited by Bahram Javidi) (Wiley, February, 2014) 特許 ( 外国, 国内, 公開, 出願 ) 1) 外国 PCT(PCT/JP2014/003739), 高橋秀知 太田道治 早崎芳夫 長谷川智士, レーザ加工装置 レーザ加工方法 およびレーザ発振装置, アイシン精機, 2013 年 7 月 15 日 受賞 1) 阿部哲也, 佐久間和輝, 長谷川智士, 早崎芳夫, レーザースイープのための光ディレイラインを有するホログラフィックフェムト秒レーザー加工システム, 第 5 回電気学会東京支部 102

109 栃木 群馬支所合同研究発表会にて, 優秀発表賞 を受賞.(2015 年 3 月 ). 2) Kota Kumagai,DHIP2014 Outstanding Poster paper award, (2014 年 12 月 ) 3) Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki, Holographic vector wave femtosecond laser processing, International Journal of Optomechatronics, Vol. 8, No. 2, pp (2014). 学術雑誌 International Journal of Optomechatronics にて, Koh Young Best Paper Award 2014 を受賞.(2014 年 11 月 ). 4) Kazuki Sakuma, Satoshi Hasegawa, Hidetomo Takahashi, Michiharu Ota and Yoshio Hayasaki, Holographic laser sweep for debris removal using line-shaped beam irradiation, 国際会議 The 9th International Conference on Photo-Excited Processes and Applications (ICPEPA-9) にて, Outstanding Student Paper Award (Poster) を受賞.(2014 年 9 月 ). 5) Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki, Holographic vector wave femtosecond laser processing, 国際会議 The First Smart Laser Processing Conference (SLPC) 2014 にて, Outstanding Paper Award (Poster) を受賞.(Organized by Japan Laser Processing Society) (2014 年 4 月 ). 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 奨学 公益財団法人日本板硝子材料工学助成会 平成 27 年度第 37 回国内研究助成 採択. 光波の多自由度同時制御による超短パルスベクトルビーム整形を用いた透明材料へのナノ周期構造形成とマイクロ流体デバイス作製への応用, 90 万円 (2015 年 3 月 ). 2) 奨学 公益財団法人矢崎科学技術振興記念財団 国際交流援助中期 採択. 計算機ホログラムを用いた光の偏光状態と位相分布の完全制御によるフェムト秒レーザー加工, 16 万円 (2014 年 9 月 ). 3) 共同 浜松ホトニクス, 高度光波面制御技術の産業応用に関する研究. 4) 共同 アイシン精機, フェムト秒レーザーを用いた半導体加工技術に関する研究. 5) 奨学 CKD 株式会社 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程博士前期課程 D3:1 名,D2:1 名 M2:3 名,M1:4 名 CDI プロジェクト関連の成果についての特記事項 1) 浜松ホトニクスとの共同実験を含む共著の論文を執筆する. 2) アイシン精機との共同研究で, 特許公開,PCT 出願, 共著論文掲載される 3) アイシン精機との共同研究で佐久間和樹 (M2) が国際会議 ICPEPA-9 にて,Outstanding Student Paper Award (Poster) を受賞した. さらに, 平成 26 年度宇都宮大学学生表彰を受賞, 宇都宮大学学業奨励奨学金を受賞した 4) 落合陽一 ( 東京大学 ) とホログラフィックレーザー照射による並列光アクセス型ボリュームディスプレイの共同研究を実施した. 本研究は,LAVAL virtual Award 2015 を受賞した. 5) 太田道春 (IMRA America) でホログラフィックレーザー加工装置の実装を行った. 6) 伊藤義郎教授 ( 長岡技術科学大学 ) および伊藤研究室の学生に, シリコン内部レーザー集光における球面収差の補正のための技術的な指導を行った. 7) KAIST ( 韓国 ), Ewha Women Univ. ( 韓国 ), Eindhoven Univ. Tech. ( オランダ ), Univ. Stuttgartt ( ドイツ ), 北京大学, 上海光学精密機械研究所 ( 中国 ), 国立台北科技大学 ( 台湾 ), 国立台湾師範大学 ( 台湾 ), Univ. Arizona, 理化学研究所のセミナーで講演した. 8) S. Hasegawa and Y. Hayasaki, Holographic vector wave femtosecond laser processing, Int. J. Optomecha. 8, (2014) が,Koh Young Best Paper Award 2014 を受賞した. この論文は, 2015 年 4 月 1 日時点で,IJO のトップダウンロード論文である. 103

110 中赤外レーザーによる非侵襲 生体細胞観察システムの開発 代 表 東口 武史 所属 職名 工学研究科 准教授 連 絡 先 TEL: メンバー Dinh Hung Thanh, 天野玲保, 宮崎孝基 キーワード 中赤外レーザー,X 線顕微鏡, 生体細胞 背景および目的 X 線は医療分野で使われているだけでなく, 建築物や部品内部の欠陥の計測などでも使われており, 幅広い分野で活用されている.X 線 ( 波長 0.01 nm 数 10 nm) の中で, 波長 nm の領域は 水の窓 と呼ばれており, 水にほとんど吸収されない反面, 生体を構成する炭素に強く吸収される. この波長領域の X 線を使うと, 水分中の生きた細胞の内部構造をナノメートルレベルの分解能で観察することができるようになり, 新薬開発などに役立つと期待され, 生体観察の夢とされている軟 X 線顕微鏡を目指した研究が行われている. しかしながら, 水の窓領域の X 線を用いた生体細胞の撮影やタンパク質の構造解析をシングルショット, すなわちフラッシュ撮影することは未だに実現されていない. つまり, (a) 卓上型 ( 小型, 実験室レベルの大きさ ) (b) 簡便な高分解能 (50 nm 以下の分解能 ) システム (c) シングルショットでの高出力の X 線放射を同時に満たす光源 光学系を開発する必要がある. 実験室サイズに収まる小型で高輝度, 省エネルギーの水の窓軟 X 線光源による非侵襲生体細胞観察システムを世界に先駆けて開発している. このような光源顕微鏡システムに欠かせないのが中赤外レーザーシステムである. これは, これまでにない新しい方法で波長 2 11 ミクロンの中赤外レーザーを実現するものであり, かつ波長可変である. 光学定盤も 1 2 枚程度で済み, 小型である. しかしながら, 顕微鏡システムとも装置を近づけて結合試験をするだけでなく, 中赤外レーザービームそのものを農学部や幾つかの外部の組織との共同開発も進める. 本プロジェクトで開発する中赤外レーザーそのものの波長域で応用研究に供することもできるが, プラズマ光源用駆動レーザーとしても用いて, 水の窓軟 X 線顕微鏡を動かすことも目指している. 期待される効果 展開 プロジェクトの内容 本プロジェクトでは, 固体レーザーとガスレーザーを組み合わせるハイブリッドレーザーシステムを開発する. 波長変換には光パラメトリック法を用い, レーザーパルスエネルギーとパルス幅の最適化を進め, 小型化かつ高効率化を進める. 具体的には, 波長可変部とパルス幅がサブナノ秒の炭酸ガスレーザーシステムの開発を並行して進めていく. 本研究が発展することで, 生体組織や細胞を生きたままで撮影することができるようになる. また, 以下のような分野での寄与が期待できる. (1) 医療現場での生体組織 細胞観察 (2) 新薬創成 (3) 半導体の微細化に寄与するリソグラフィー露光用光源 (4) 次世代自由電子 X 線レーザーのシード光や光学系調整などの基礎実験 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門 104

111 プロジェクト 23 中赤外レーザーによる非侵襲生体細胞観察システムの開発 ( 担当者 ) 東口武史, 大橋隼人, 天野玲保, 宮崎孝基 プロジェクト研究成果概要 (1) 高出力中赤外レーザーの開発 EUV (Extreme ultraviolet) と呼ばれる波長 13.5 nmや BEUV (beyond EUV) と呼ばれる波長 6.x nm の光は, 次世代半導体リソグラフィー用光源として, 研究されている. それらの波長を持つ光を生成する方法は多々あるが, 金属ターゲットにレーザーを照射することによって, プラズマを生成する方式 (laser-produced plasma: LPP) は, 装置の小型化や高効率化の面から利用されることが多く, 我々の研究室でも採用している.LPP に用いるレーザーには, 波長が 1.06 m の Nd:YAG レーザーを用いることが多いが, 波長が 10.6 m の CO 2 レーザーを用いると, 光学的厚みが Nd:YAG LPP と比較して薄くなることから, スペクトルの形状が大きく変わることが観測されている 1).EUV 光源の概念を拡張し, 実験室系での軟 X 線顕微鏡用光源に関する研究も進んでいる. CO 2 LPP 光源では,CO 2 レーザーを短パルス化かつ高強度化することが必要である. 一般的な発振におけるパルス幅は s 程度,Q スイッチにより ns 程度のパルス幅になるが, プラズマ光源を高温化するためには, 更なる短パルス化が必要である. 研究例が多い CO 2 レーザーであるが, 我々は EUV 光源や水の窓軟 X 線光源のプラズマ加熱用レーザーとして開発を進めている. 図 1 は光駆動半導体プラズマミラースイッチにより短パルス化されたマルチパス増幅前の波形であり, ここでは, パルス幅が 5 ns の波形を示している. 実際には, パルス幅は 3 12 ns の領域で可変である. 若干のペデスタルがあるが, これは過飽和吸収体を挿入することで, 消光できると考えている. 図 2 は, マルチパス増幅後の出力エネルギーの入力パルス幅依存性である. このときのマルチパス増幅器のパス数は 14 である. 現在, このレーザーパルスによる波長 13.5 nm の EUV 光源の高効率化に関する実験に供しているところである Intensity (arb. units) Time (ns) 図 1 : 半導体スイッチによる短パルス波形 100 Pulse energy (mj) Pulse width (ns)

112 図 2 : 出力エネルギーのパルス幅依存性 (2) 重元素多価イオンプラズマ軟 X 線光源のスペクトルの評価水の中の生きたままの生体細胞をシングルショット撮影できる卓上型水の窓軟 X 線 ( 波長 nm) 顕微鏡の実現を目標として, 中赤外レーザーを用いるレーザー生成重元素多価イオンプラズマ高輝度光源を開発している. 重元素プラズマ光源の高輝度化のためには, UTA (unresolved transition array) スペクトル構造を最適化する必要があり, 光源の放射過程を明らかにする必要がある. 図 3 は各種元素多価イオンから放射される水の窓軟 X 線出力のレーザー強度依存性である. 水の窓軟 X 線出力は, nm の波長範囲におけるスペクトルの波長積分に対応する. レーザーの強度が同程度のとき, 40 Zr や 42 Mo の出力は, 79 Au, 82Pb, 83 Bi よりも強く, レーザー強度を変えた場合も同様の傾向であった. 図 3: 水の窓軟 X 線出力のレーザー強度依存性 (3) 水の窓軟 X 線顕微鏡の構築水の窓軟 X 線を用いた生体細胞の撮影をシングルショット, すなわちフラッシュ撮影することは小型の実験室規模では未だに実現されていないのが現状であり, 水の窓軟 X 線光源には単一ショットで撮影できる明るさと照射時間を短くすることも求められている. しかしながら,1 パルスあたりのエネルギーが小さいため, 多重ショットを駆使して試料撮影が行われており, 撮影には最短でも 1 分程度を要している. このため, ターゲットを氷結固定化などの工夫を施さなければならない状況にある. このような中, 重元素多価イオンプラズマによる UTA スペクトル光源が実験室規模の光源になり得るのではないかと考えており, 軟 X 線顕微鏡との接続試験を行っている. 106

113 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) Hayato Ohashi, Takeshi Higashiguchi, Yuhei Suzuki, Goki Arai, Yukitoshi Otani, Toyohiko Yatagai, Bowen Li, Padraig Dunne, Gerry O Sullivan, Weihua Jiang, Akira Endo, Hiroyuki A. Sakaue, Daiji Kato, Izumi Murakami, Naoki Tamura, Shigeru Sudo, Fumihiro Koike, and Chihiro Suzuki, Quasi-Moseley s law for strong narrow bandwidth soft x-ray sources containing higher charge-state ions, Applied Physics Letters, Vol. 104, pp (2014) 2) Kensuke Yoshida, Shinsuke Fujioka, Takeshi Higashiguchi, Teruyuki Ugomori, Nozomi Tanaka, Hayato Ohashi, Masato Kawasaki, Yuhei Suzuki, Chihiro Suzuki, Kentaro Tomita, Ryoichi Hirose, Takeo Ejima, Masaharu Nishikino, Atsushi Sunahara, Enda Scally, Bowen Li, Tatsuya Yanagida, Hiroaki Nishimura, Hiroshi Azechi, and Gerry O Sullivan, Efficient extreme ultraviolet emission from multiple laser-produced one-dimensional spherical plasmas, Applied Physics Express, Vol. 7, pp (2014) 3) Amitava Roy, Goki Arai, Hiroyuki Hara, Takeshi Higashiguchi, Hayato Ohashi, Atsushi Sunahara, Bowen Li, Padraig Dunne, Gerry O'Sullivan, Taisuke Miura, Tomas Mocek, and Akira Endo, Evolution of laser-produced Sn extreme ultraviolet source diameter for high-brightness source, Applied Physics Letters, Vol. 105, pp (2014) 4) Takeshi Higashiguchi, Mami Yamaguchi, Takamitsu Otsuka, Takeshi Nagata, Hayato Ohashi, Bowen Li, Rebekah D'Arcy, Padraig Dunne, and Gerry O'Sullivan, Enhancement of the extreme ultraviolet emission from a potassium plasma by dual laser irradiation, Review of Scientific Instruments, Vol. 85, pp (2014) 5) Chihiro Suzuki, Fumihiro Koike, Izumi Murakami, Naoki Tamura, Shigeru Sudo, Hiroyuki Sakaue, Nobuyuki Nakamura, Shigeru Morita, Motoshi Goto, Daiji Kato, Tomohide Nakano, Takeshi Higashiguchi, Colm Harte, and Gerry O'Sullivan, EUV spectroscopy of highly charged high Z ions in the Large Helical Device plasmas, Physica Scripta, Vol. 89, pp (2014) 6) Thanh-Hung Dinh, Yuhei Suzuki, Ryouichi Hirose, Hiroyuki Hara, Hayato Ohashi, Padraig Dunne, Gerry O Sullivan, Atsushi Sunahara, and Takeshi Higashiguchi, Development of a volume-limited dot target for a high brightness extreme ultraviolet microplasma source, Review of Scientific Instruments, Vol. 85, pp (2014) 7) Toshitaka Wakayama, Takeshi Higashiguchi, Hiroki Oikawa, Kazuyuki Sakaue, Masakazu Washio, Motoki Yonemura, Toru Yoshizawa, J. Scott Tyo, and Yukitoshi Otani, Determination of the polarization states of an arbitrary polarized terahertz beam: Vectorial vortex analysis, Scientific Reports, Vol. 5, pp (2015) 8) Kensuke Yoshida, Shinsuke Fujioka, Takeshi Higashiguchi, Teruyuki Ugomori, Nozomi Tanaka, Masato Kawasaki, Yuhei Suzuki, Chihiro Suzuki, Kentaro Tomita, Ryoichi Hirose, Takeo Ejima, Hayato Ohashi, Masaharu Nishikino, Atsushi Sunahara, Bowen Li, Padraig Dunne, Gerry O Sullivan, Tatsuya Yanagida, Hiroshi Azechi, and Hiroaki Nishimura, Density and x-ray emission profile relationships in highly ionized high-z laser-produced plasmas, Applied Physics Letters (accepted for publication) 9) Gerry O Sullivan, Bowen Li, Padraig Dunne, Paddy Hayden, Deirdre Kilbane, Ragava Lokasani, Elaine Long, Hayato Ohashi, Fergal O Reilly, John Sheil, Paul Sheridan, Emma Sokell, Chihiro Suzuki, Elgiva White, and Takeshi Higashiguchi, Sources for Beyond Extreme Ultraviolet Lithography and Water Window Imaging, Physica Scripta (accepted for publication) 10) Chihiro Suzuki, Fumihiro Koike, Takeshi Higashiguchi, Izumi Murakami, Naoki Tamura, Shigeru Sudo, Elgiva White, John Sheil, Elaine Long, Fergal O Reilly, Emma Sokell, Padraig Dunne, and Gerard O Sullivan, Systematic observation of EUV spectra from heavy ions in optically thin and thick plasmas, Physica Scripta (accepted for publication) 11) Hayato Ohashi, Takeshi Higashiguchi, Yuhei Suzuki, Goki Arai, Bowen Li, Padraig Dunne, Gerry O Sullivan, Hiroyuki A. Sakaue, Daiji Kato, Izumi Murakami, Naoki Tamura, Shigeru Sudo, Fumihiro Koike, and Chihiro Suzuki, Characteristics of x-ray emission from optically 107

114 thin high-z plasmas in soft x-ray region, Journal of Physics B (accepted for publication) 12) Gerry O'Sullivan, Bowen Li, Rebekah D Arcy, Padraig Dunne, Paddy Hayden, Deirdre Kilbane, Tom McCormack, Hayato Ohashi, Fergal O'Reilly, Paul Sheridan, Emma Sokell, Chihiro Suzuki, and Takeshi Higashiguchi, Spectroscopy of highly charged ions and its relevance to EUV and soft x-ray source development for lithography, Journal of Physics B (accepted for publication) 13) H. Ohashi, T. Higashiguchi, Y. Suzuki, M. Kawasaki, C. Suzuki, K. Tomita, M. Nishikino, S. Fujioka, A. Endo, B. Li, T. Otsuka, P. Dunne, and G. O Sullivan, Characteristics of extreme ultraviolet emission from high-z plasmas, Journal of Physics: Conference Series (accepted for publication) 国際会議発表 (plenary lecture: PL, invited speaker IS, oral presentation: OP, poster presentation: PP) 1) *PP*, Hiroyuki Hara, Goki Arai, Yuhei Suzuki, Hayato Ohashi, Takeshi Higashiguchi, and Atsushi Sunahara, Radiation hydrodynamic simulation of a high-brightness 13.5-nm EUV microplasma by use of a dot target, Photomask Japan 2014 (7s-17, Annex Hall, Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan ( )) 2) *PP*, Takeshi Higashiguchi, Yuhei Suzuki, Masato Kawasaki, Goki Arai, and Hayato Ohashi, Beyond extreme ultraviolet sources for next generation lithography, Photomask Japan 2014 (7s-18, Annex Hall, Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan ( )) 3) *IS*, Takeshi Higashiguchi, Laser-produced multi-charged heavy ions as efficent soft x-ray sources, The 5th China-Japan-Korea Joint Seminar on Atomic and Molecular Processes in Plasma (AMPP2014) (7-2 (invited), Northwest Normal University, Lanzhou, China ( )) 4) *PL*, Takeshi Higashiguchi, Efficient laser driven sources at EUV, BEUV & water window soft X-ray wavelengths, ELI BEAMLINES AND HILASE SUMMER SCHOOL 2014 (seminar 13, Students Halls of Residence, Patkova, Prague, Czech Republic ( )) 5) *IS*, Takeshi Higashiguchi, Recent progress of the CO 2 and fiber lasers, HiLASE RP1 seminar (HiLASE Centre, ( チェコ科学アカデミー物理部門 ), Prague, Czech Republic ( )) 6) *PP*, Hayato Ohashi, Hiroaki Ito, Yuhei Suzuki, Goki Arai, Bowen Li, Gerry O Sullivan, Fumihiro Koike, Chihiro Suzuki, and Takeshi Higashiguchi, Tunable narrowband soft x-ray sources with laser-produced high-z plasmas, 5th Euro-Arian Pulsed Power Conference (EAPPC 2014) (P2-65, Kumamoto University, Kumamoto, Japan ( )) 7) *OP*, Chihiro Suzuki, Fumihiro Koike, Takeshi Higashiguchi, Izumi Murakami, Naoki Tamura, Shigeru Sudo, Elgiva White, John Sheil, Elaine Long, Fergal O Reilly, Emma Sokell, Padraig Dunne, and Gerard O Sullivan, Systematic observation of EUV spectra from heavy ions in optically thin and thick plasmas, 9th International Conference on Atomic and Molecular Data and Their Applications (ICAMDATA) (A-a01, Abbeanum Lecture Hall, University of Jena, Jena, Germany ( )) 8) *PL*, Gerry O'Sullivan, Padraig Dunne, Paddy Hayden, Bowen Li, Ragava Lokasania, Elaine Long, Hayato Ohashi, Fergal O'Reilly, John Sheil, Emma Sokell, Chihiro Suzuki, Elgiva White, and Takeshi Higashiguchi, Sources for beyond extreme ultraviolet lithography and water window imaging, 9th International Conference on Atomic and Molecular Data and Their Applications (ICAMDATA) (I-07 (Invited), Abbeanum Lecture Hall, University of Jena, Jena, Germany ( )) 9) *PP*, Reiho Amano, Thanh Hung Dinh, Masato Kawasaki, Atsushi Sasanuma, Yuhei Suzuki, Takeshi Higashiguchi, and Taisuke Miura, Efficient EUV sources by short CO 2 laser-produced plasmas, 2014 International Workshop on EUV and Soft X-Ray Sources (S21 (Poster), University College Dublin, Dublin, Ireland ( )) 10) *PP*, Goki Arai, Hiroyuki Hara, Yuhei Suzuki, Thanh Hung Dinh, and Takeshi Higashiguchi, A microplasma high-brightness EUV source at 13.5 nm, 2014 International Workshop on 108

115 EUV and Soft X-Ray Sources (S22 (Poster), University College Dublin, Dublin, Ireland ( )) 11) *PP*, Hiroyuki Haya, Goki Arai, Takanori Miyazaki, Thanh-Hung Dinh, Takeshi Higashiguchi, and Atsushi Sunahara, Radiation hydrodynamic simulation of a high-brightness 13.5-nm EUV microplasm, 2014 International Workshop on EUV and Soft X-Ray Sources (S33 (Poster), University College Dublin, Dublin, Ireland ( )) 12) *PP*, Yuhei Suzuki, Goki Arai, Takanori Miyazaki, Thanh-Hung Dinh, and Takeshi Higashiguchi, Quasi-Moseley s law for UTA spectra in high-z highly ion charge states for high power EUV & soft x-ray sources, 2014 International Workshop on EUV and Soft X-Ray Sources (S43 (Poster), University College Dublin, Dublin, Ireland ( )) 13) *PP*, Takanori Miyazaki, Yuhei Suzuki, Thanh Hung Dinh, and Takeshi Higashiguchi, Possibility of high-z plasma water window sources, 2014 International Workshop on EUV and Soft X-Ray Sources (S61 (Poster), University College Dublin, Dublin, Ireland ( )) 14) *OP*, Hayato Ohashi, Takeshi Higashiguchi, Yuhei Suzuki, Goki Arai, Bowen Li, Padraig Dunne, Gerry O Sullivan, Hiroyuki A. Sakaue, Daiji Kato, Izumi Murakami, Naoki Tamura, Shigeru Sudo, Fumihiro Koike, and Chihiro Suzuki, Characteristics of soft x-ray emission from optically thin high-z plasmas in Large Helical Device, 2014 International Workshop on EUV and Soft X-Ray Sources (S92 (Poster), University College Dublin, Dublin, Ireland ( )) 15) *IS*, Gerry O Sullivan, Padraig Dunne, Paddy Hayden, Bowen Li, Ragava Lokasani, Elaine Long, Hayato Ohashi, Fergal O Reilly, John Sheil, Emma Sokell, Chihiro Suzuki, Elgiva White, and Takeshi Higashiguchi, Sources for Water Window Imaging, 2014 International Workshop on EUV and Soft X-Ray Sources (S64 (Invited Review Talk), University College Dublin, Dublin, Ireland ( )) 16) *PL*, Gerry O Sullivan, Padraig Dunne, Paddy Hayden, Bowen Li, Ragava Lokasani, Elaine Long, Hayato Ohashi, Fergal O Reilly, John Sheil, Emma Sokell, Chihiro Suzuki, Elgiva White, and Takeshi Higashiguchi, Welcome and Overview of recent work on soft-ray emission spectroscopy, ISCA Japan-Ireland Workshop on extreme ultraviolet source development for lithography, surface morphology and biological imaging (14:00, University College Dublin, Dublin, Ireland ( )) 17) *OP*, Hayato Ohashi, Takeshi Higashiguchi, Yuhei Suzuki, Goki Arai, Nobuyuki Nakamura, Bowen Li, Padraig Dunne, Gerry O Sullivan, Hiroyuki A. Sakaue, Daiji Kato, Izumi Murakami, Naoki Tamura, Shigeru Sudo, Fumihiro Koike, and Chihiro Suzuki, Tunable extreme ultraviolet and soft x-ray narrowband sources with laser produced high-z plasmas, ISCA Japan-Ireland Workshop on extreme ultraviolet source development for lithography, surface morphology and biological imaging (16:45, University College Dublin, Dublin, Ireland ( )) 18) *IS*, Takeshi Higashiguchi, Recent progress in Utsunomiya University: Development of compact, 10-Hz short pulse CO 2 laser system for EUV & soft x-ray sources, ISCA Japan-Ireland Workshop on extreme ultraviolet source development for lithography, surface morphology and biological imaging (9:00, University College Dublin, Dublin, Ireland ( )) 19) *IS*, Takeshi Higashiguchi, Efficeint EUV/soft x-ray sources and their applications, レーザープラズマ発生材料に関するミニシンポジウム (16:00 [ 招待講演 ], 東京工業大学すずかけ台キャンパス ( 神奈川県横浜市 ) ( )) 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 依頼 東口武史 重元素によるレーザー生成多価イオンプラズマ光源とその応用, 多摩シンポジウム Tokyo-EBIT 20 周年に向けて ( 依頼講演, 電気通信大学レーザー新世代研究センター 7 階大会議室 ( 東京都調布市 ) ( )) 2) 依頼 東口武史 水の窓 波長域のレーザー生成プラズマ光源の開発, 軟 X 線 109

116 による細胞内形態解析 研究会 アポトーシス細胞を中心として ( 依頼講演, 宮城蔵王ロイヤルホテル ( 宮城県刈田郡蔵王町 ) ( )) 3) 招待 東口武史 重元素による高効率 EUV 軟 X 線プラズマ光源とその応用, プラズマ科学のフロンティア 研究会 ( 依頼講演, 核融合科学研究所 ( 岐阜県土岐市 ) ( )) 4) 依頼 東口武史 重元素プラズマによる EUV 軟 X 線光源開発, 2014 年度原子分子データ応用フォーラムセミナー (14:00-14:30, 核融合科学研究所シミュレーション科学研究棟 1 階会議室 ( 岐阜県土岐市 ) ( )) 招待, 東口武史 (Takeshi Higashiguchi) プラズマ EUV 光源の高効率化とその応用 (Efficient plasma EUV source and its application), Plasma Conference 2014 (Plasma 2014) [ 日本物理学会 ( 領域 2)2014 年秋季大会 / 応用物理学会プラズマエレクトロニクス分科会第 32 回プラズマプロセシング研究会 / プラズマ 核融合学会第 31 回年会 ] (S15-6 [ シンポジウム招待講演 ], 朱鷺メッセ ( 新潟県新潟市 ) ( )) 5) 招待 鈴木千尋, 村上泉, 小池文博, 田村直樹, 須藤滋, 坂上裕之, 中村信行, 森田繁, 後藤基志, 加藤太治, 仲野友英, 東口武史,Colm S. Harte,Gerry O'Sullivan (Chihiro Suzuki, Izumi Murakami, Fumihiro Koike, Naoki Tamura, Shigeru Sudo, Hiroyuki A. Sakaue, Nobuyuki Nakamura, Shigeru Morita, Motoshi Goto, Daiji Kato, Tomohide Nakano, Takeshi Higashiguchi, Colm S. Harte, and Gerry O'Sullivan) LHD プラズマを用いた高 Z 元素多価イオンの EUV 分光と原子モデルの構築 (EUV Spectroscopy and Atomic Model of Highly Charged Ions of High Z Elements Using LHD Plasmas), Plasma Conference 2014 (Plasma 2014) [ 日本物理学会 ( 領域 2)2014 年秋季大会 / 応用物理学会プラズマエレクトロニクス分科会第 32 回プラズマプロセシング研究会 / プラズマ 核融合学会第 31 回年会 ] (21pC-2-1 [ 招待講演 ], 朱鷺メッセ ( 新潟県新潟市 ) ( )) 6) 一般 鈴木悠平, 大橋隼人, 荒居剛己, 宮崎孝基, Thanh-Hung Dinh, Gerry O'Sullivan, 江偉華, 遠藤彰, 坂上裕之, 加藤太治, 村上泉, 田村直樹, 須藤茂, 小池文博, 鈴木千尋, 東口武史 レーザープラズマ UTA 放射光源の原子番号依存性, レーザー学会, 第 469 回研究会 レーザー ビーム パルスパワー技術による Beyond EUV 光源 (GS-c, 大和川酒造昭和館 ( 福島県喜多方市 ) ( )) 7) 一般 Dinh Thanh-Hung, 天野玲保, 笹沼淳史, 荒居剛己, 川崎将人, 藤井雄介, 高橋昭彦, 中村大輔, 岡田龍雄, 牧村哲也, 三浦泰祐, 東口武史 高効率軟 X 線光源駆動用短パルス CO 2 レーザーの開発, レーザー学会, 第 469 回研究会 レーザー ビーム パルスパワー技術による Beyond EUV 光源 (GS-e, 大和川酒造昭和館 ( 福島県喜多方市 ) ( )) 8) ポ レーザー生成マイクロプラズマによる高輝度 EUV 光源の放射特性, 荒居剛己, 原広行, ヂンタンフン, 砂原淳, 三浦泰祐, 遠藤彰, 東口武史, 第 15 回レーザー学会東京支部研究会,P-20, 東海大学高輪キャンパス ( 東京都港区 ) ( ). 9) 一般 ゲルマニウム多価イオンの EUV 放射特性, 原広行, ヂンタンフン, 大橋隼人, 坂上裕之, 鈴木千尋, 加藤太治, 村上泉, 東口武史, 第 62 回応用物理学関係連合講演会,11p-A26-15, 東海大学湘南キャンパス ( 神奈川県平塚市 ) ( ). 10) 一般, 高輝度 EUV 光源の放射特性, 荒居剛己, 原広行, ヂンタンフン, 砂原淳, 三浦泰祐, 遠藤彰, 東口武史, 第 62 回応用物理学関係連合講演会,11p-A26-16, 東海大学湘南キャンパス ( 神奈川県平塚市 ) ( ). 他 20 件 著書, 総説, 解説等 1) 東口武史, 藤岡慎介, 鵜篭輝之, 吉田健祐, 田中のぞみ, 鈴木悠平, 川崎将人, 大橋 110

117 隼人, 江島丈雄, 廣瀬僚一, 鈴木千尋, 富田健太郎, 砂原淳, 錦野将元, 激光 XII 号レーザーを用いた EUV-BEUV 光源プラズマデータベースの構築, レーザーエネルギー学研究センター, 平成 25 年度共同研究成果報告書,pp (2014) 2) Gerry O Sullivan, Padraig Dunne, Paddy Hayden, Bowen Li, Elaine Long, Hayato Ohashi, Fergal O Reilly, Paul Sheridan, Emma Sokell, Chihiro Suzuki, and Takeshi Higashiguchi, Soft X-ray and EUV Sources, レーザー学会, 第 469 回研究会,RTM-14-58,pp. 3-7 (2014) 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 科研 基盤研究 (C), 平成 24 ~ 26 年度, 高原子番号多価イオンを用いる高効率水 の窓 X 線帯域放射光源の開発 4,100 千円 ( 直接経費 ) (H24 : 2,900 千円,H25 : 900 千 円,H26 : 300 千円 ), 代表者 : 東口武史 2) 奨学 ( 株 ) サムスン横浜研究所, 東口准教授の研究に対する寄付,3,000 千円 3) 共同 ギガフォトン( 株 ), 極端紫外光を発生するプラズマの基盤研究,1,000 千 円 4) 共同 核融合科学研究所, 多価イオンの価数分離スペクトルの測定と実験室光源 への応用,280 千円 5) 共同 核融合科学研究所, 多価イオンプラズマによる水の窓 EUV スペクトルの最 適,480 千円 6) 共同 大阪大学レーザーエネルギー学研究センター, 激光 XII 号レーザーを用い た EUV-BEUV 光源プラズマデータベースの構築,240 千円 7) 共同 大阪大学レーザーエネルギー学研究センター, 重元素による軟 X 線 EUV 光源プラズマの放射流体解析と CR モデルの改良,110 千円 8) 共同 東北大学多元物質科学研究所, 水の窓 炭素の窓 のレーザープラズマ光 源の開発 9) 共同 独立行政法人日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究部門 先進ビー ム技術研究ユニット X 線レーザー応用研究グループ, 水の窓高輝度軟 X 線発生に関 する基礎研究 10) 共同 その他: 筑波大学, 電気通信大学, 九州大学 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 D3:0 名,D2:0 名,D1:2 名 博士前期課程 M2:2 名,M1:4 名 CDI プロジェクト関連の成果についての特記事項イ ) ベンチャー起業 0 件ロ ) 報道 8 件製造現場ドットコム東口武史, 大澤科学技術振興財団が 平成 26 年度助成費贈 111

118 呈式 を開く (2014 年 11 月 29 日 ) プレスリリース ( 宇都宮大学, 埼玉医科大学, 早稲田大学 ) 東口武史, 任意の偏光を持つテラヘルツ光の解析法を開発 (2015 年 3 月 24 日 ) 共同通信社, 宮崎日日新聞, 福井新聞, 紀伊新聞など東口武史, 任意の偏光を持つテラヘルツ光の解析法を開発 (2015 年 3 月 25 日 ) マイナビニュース, テクノロジー東口武史, 宇都宮大など 任意の偏光を持つテラヘルツ光の解析法を開発 (2015 年 3 月 25 日 ) Yahoo! Japan ニュース東口武史, 宇都宮大など, 任意の偏光を持つテラヘルツ光の解析法を開発 (2015 年 3 月 26 日 ) SankeiBiz 東口武史, 任意の偏光を持つテラヘルツ光の解析法を開発 (2015 年 3 月 26 日 ) HPC ソリューション ( 技術情報 科学ニュース ) 東口武史, 任意の偏光を持つテラヘルツ光の解析法を開発 (2015 年 3 月 30 日 ) 日刊工業新聞東口武史, 任意の偏光を持つテラヘルツ光の解析法を開発 (2015 年 4 月 26 日 ) ハ ) 展示 2 件第 8 回宇都宮大学企業交流会ヂンタンフン, 宮崎孝基, 東口武史, 生体観察用中赤外レーザーの開発 (2014 年 9 月 8 日 ) 第 8 回宇都宮大学企業交流会宮崎孝基, ヂンタンフン, 東口武史, 生体細胞観察用卓上型軟 X 線顕微鏡の開発 (2014 年 9 月 8 日 ) ニ ) 技術指導 0 件 112

119 バイオ素子を基盤としたオプティカルセンシング技術開発 代表前田勇所属 職名農学部 准教授連絡先 TEL: FAX: メンバーオプティクス教育研究センター 教授大谷幸利キーワード蛍光偏光解消 バイオセンサー バイオイメージング 背景および目的 ヒト 家畜疾病の早期検出や病原菌検出などの生体検査分野や安全性確保のための食品検査分野において応用が期待されるバイオセンシングやバイオイメージング技術に関して 光計測による新たな展開を図る これまでに開発された蛍光バイオセンサー素子を供することによって そして新たに蛍光標識した生体分子を調製することによって測定試料を準備し ( 図 1) これらの偏光特性をストークス偏光計や新たに開発した分光偏光計によって測定 解析する これにより生体分子の分光偏光イメージングやセンシングの新たな手法を確立することが目的である 子間相互作用の解析に有利とされるが 解析対象となる生体現象が限定的であり汎用性に乏しいとされる そこで 本プロジェクトでは蛍光タンパク質や蛍光標識 DNA に対する蛍光の偏光状態を解析することで 生体分子間相互作用や細胞状態の解析法としての汎用性を高めることを主眼に研究を行う 蛍光標識された生体高分子が低温下で拘束される あるいは蛍光物質が分子間相互作用で配向されると蛍光偏光が生じるため 特定の偏光方位の光強度が増すことになる プロジェクトでは 生体試料にこれらの変化を加えて偏光解消を計測し 新たな生体現象解析法を確立させる 図 1 出芽酵母の細胞内小器官の蛍光 (GFP) 染色 プロジェクトの内容 蛍光タンパク質や蛍光色素によるタンパク質や DNA の標識技術と 偏光計測 解析という異分野を融合することで 生体分子の状態を判定可能な新たな技術開発に結びつける 具体的内容として蛍光偏光解消の応用が挙げられる 蛍光偏光解消とは 蛍光物質により標識された低分子が 溶液中で遊離状態の時にブラウン運動により回転することで 照射した励起光が持っていた偏光方位が蛍光では解消されるという現象である ( 図 2 の右側 ) これは蛍光分子の配向がランダムのため 励起光の偏光方位が蛍光では散乱により解消されるためである 一方 蛍光分子のブラウン運動がタンパク質等の高分子と低分子の結合により制限された時には 偏光状態で蛍光が発せられる ( 蛍光偏光 )( 図 2 の左側 ) このような特徴から 本手法は低分子と生体高分子の分 期待される効果 展開 偏光の計測は従来 偏光子の 0 と 90 の光強度の比をとって求めてきた 光の偏光特性を表すストークス パラメータや素子の偏光状態を表すミュラー行列を用いることで偏光解消をより高精度に求めることができると期待される 目的が達成されれば 細胞内の状態解析や 病原菌 食中毒菌の迅速検出 生体高分子間すなわちタンパク質間あるいはタンパク質 DNA 間の相互作用の解析に利用可能なバイオセンサーやバイオイメージング法の開発に結びつくであろう 113 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門 図 2 蛍光偏光解消の分子間相互作用解析への応用

120 プロジェクト 24 バイオ素子を基盤としたオプティカルセンシング技術開発 ( 担当者 ) 前田勇, 大谷幸利 プロジェクト研究成果概要黄色ブドウ球菌は院内感染や食中毒を引き起こすヒト皮膚常在菌であり オプティカルセンシングによる黄色ブドウ球菌の迅速検出技術の開発を試みた まず 緑色蛍光タンパク質 (GFP) と抗 GFP 抗体を混合し複合体を形成させ 抗体の Fc 領域を介して黄色ブドウ球菌が抗体 GFP 複合体と特異的に結合することを確認した この検出系を用いて蛍光異方性を解析するために 蛍光顕微鏡型ストークス偏光計を構築した 細菌表面の抗体 GFP 複合体の分子運動の拘束度合いの違いにより 偏光励起光を照射した際の GFP 由来の蛍光の偏光度の解消の違いが観察された 複合体の結合が認められた黄色ブドウ球菌では高い偏光度 ( メチシリン耐性黄色ブドウ球菌, 0.68; メチシリン感受性黄色ブドウ球菌, 0.36) が維持されたのに対し 大腸菌 (0.10) や枯草菌 (0.04) の偏光度は大きく解消され偏光度の差を計測できた 本結果は ヒト 家畜疾病の早期検出や病原菌検出などの生体検査分野や安全性確保のための食品検査分野における技術利用の可能性を示すものである 114

121 原著論文 ( 外国, 国内 ) 1) M. Taniguchi, M. S. R. Siddiki, S. Ueda, and I. Maeda, Mercury (II) sensor based on monitoring dissociation rate of the trans-acting factor MerR from cis-element by surface plasmon resonance, Biosensors and Bioelectronics, Vol. 67, pp (2015). 2) M. Watanabe, I. Maeda, M. Koyama, K. Nakamura, and K. Sasano, Simultaneous recovery and purification of rice protein and phosphorus compounds from full-fat and defatted rice bran with organic solvent-free process, Journal of Bioscience and Bioengineering, Vol. 119, pp (2015). 3) Takashi Onuma, Yukitoshi Otani : A development of two-dimensional birefringence distribution measurement system with a sampling rate of 1.3 MHz, Optics Communications, Vol.315, No.15, (2014). 4) Toshitaka Wakayama, Oscar G.Rodríguez-Herrera, J.Scott Tyo, Yukitoshi Otani, Motoki Yonemura, Toru Yoshizawa : Generation of achromatic, uniform-phase, radially polarized beams, Optics Express Vol.22, No.1, (2014). 5) David Ignacio Serrano-García, Amalia Martínez-García, Noel-Ivan Toto-Arellano, Yukitoshi Otani : Dynamic temperature field measurements using a polarization phase-shifting technique, Optical Engineering, Vol.53, No.11, (2014). 6) Hayato Ohashi, Takeshi Higashiguchi, Yuhei Suzuki, Goki Arai, Yukitoshi Otani, Toyohiko Yatagai, Bowen Li, Padraig Dunne, Gerry O Sullivan, Weihua Jiang, Akira Endo, Hiroyuki A. Sakaue, Daiji Kato, Izumi Murakami, Naoki Tamura, Shigeru Sudo, Fumihiro Koike, Chihiro Suzuki : Quasi-Moseley s law for strong narrow bandwidth soft x-ray sources containing higher charge-state ions, Applied Physics Letters, Vol.104, Issue , (2014). 7) David-Ignacio Serrano-García, Amalia Martinez-García,Noel-Iván Toto-Arellano, Yukitoshi Otani : Single shot interferometry using a two-interferogram phase shifting algorithm, Advanced Optical Technologies, Vol.3, No.4, (2014). 国際会議発表 (plenary lecture: PL, invited speaker IS, oral presentation: OP, poster presentation: PP) 1) *OP* Isamu Maeda and Mie Tsuboyama, Development of fluorescent nano-bioprobes using bacteriophage T7, Biomedical Imaging and Sensing Conference (BISC) 14, (PACIFICO Yokohama, Yokohama, April 2014). 2) *PP* Isamu Maeda, Masaki Taniguchi, Mohammad Shohel Rana Siddiki, and Taki Naito, Analysis of binding affinity between cis-elements and transcriptional 115

122 regulators responsive to toxic metals, Biosensors 2014, (Melbourne, Australia, May 2014). 3) *OP* Toshitaka Wakayama, Kazuyuki Sakaue, Takeshi Higashiguchi, Yukitoshi Otani, Masakazu Washio, Motoki Yonemura, Toru Yoshizawa : THz Vector Beam generated by Achromatic Axially Symmetric Wave Plate, The 9th International Conference on Optics-photonics Design and Fabrication, ODF'14, Itabashi, Tokyo (2014). 4) *OP* Shuhei Shibata, Takashi Onuma, Yukitoshi Otani : Spectroscopic birefringence mapping by full-stokes polarization camera, The 9th International Conference on Optics-photonics Design and Fabrication, ODF'14, Itabashi, Tokyo (2014). 5) *IS* Yukitoshi Otani, Toshitaka Wakayama : Achromatic axially symmetric wave plate and its application to radial polarization beam, International Conference on Optics & Optoelectronics, ICOL2014 (2014). 6) *OP* asahito Sakaguchi, Yutaka Kodama, Yukitoshi Otani : Spectroscopic Mueller Matrix Microscope Using Dual-rotating Retarders, The 1st Biomedical Imaging and Sensing Conference (BISC 14) (2014). 7) *OP* Shuhei Shibata, Fumio Kobayashi, Daisuke Barada, Yukitoshi Otani : Dynamic and uniaxial profilometry by polarization camera, Photonics Europe (2014). 8) *OP* Takashi Onuma, Yukitoshi Otani : High-speed birefringence mapping by polarization camera and its application for film orientation tracking, SPIE Sensing Technology + Applications, Baltimore, USA (2014). 9) *OP* Shuhei Shibata, Fumio Kobayashi, Daisuke Barada, Yukitoshi Otani : Real-time and uniaxial measurement of 3D profile by polarization camera, SPIE Sensing Technology + Applications, Baltimore, USA (2014). 10) *OP* Shuhei Shibata, Fumio Kobayashi, Daisuke Barada, Yukitoshi Otani : Microscopic type of real-time uniaxial 3D profilometry by polarization camera, SPIE Optics and Photonics, San Diego, USA (2014). 11) *OP* David I. Serrano-Garcia, Amalia Martinez-Garcia, Noel-Ivan Toto-Arellano, Yukitoshi Otani : Dynamic temperature field measurements using a polarization phase shifting technique, SPIE Optics and Photonics, San Diego, USA (2014). 12) *OP* Yukitoshi Otani, Shuhei Shibata : Real-time imaging Stokes polarimeter by polarization camera and its application to birefringence mapping, ICO 2014, Santiago de Compostela, Spain (2014). 13) *OP* David I. Serrano-Garciá Yukitoshi Otani : 3-D SURFACE PROFILOMETRY 116

123 EMPLOYING THE POLARIZATION PHASE SHIFTING TECHNIQUE, The International Symposium on Laser Metrology for Precision Measurement and Inspection in Industry 2014 : IMEKO, Tsukuba, Japan (2014). 14) *OP* Yukitoshi Otani, Shuhei Shibata, Takashi Onuma : REAL-TIME MEASUREMENT OF STOKES PARAMETERS BY POLARIZATION CAMERA, 16th International Conference on Experimental Mechanics (ICEM-16), Cambridge UK (2014). 15) *IS* Yukitoshi Otani, Shuhei Shibata : Dynamic measurement of Stokes parameters and birefringence mapping by full-stokes polarization camera, Photonics Asia 2014 "Optical Metrology and Inspection for Industrial Applications III", Beijing, China (2014). 16) *IS* Yukitoshi Otani, Hiroshi Hasegawa : Imaging polarimeter for spectroscopic full-stokes parameters and its application to flaw detection, The 2014 International Coference on Photonics and Optical Engineering (icpoe), Xi'an, China (2014). 17) *OP* Hiroshi Hasegawa, Yukitoshi Otani : Imaging Stokes polarimeter on six-axis robot arm, International Symposium on Optomechatronic Technologies (ISOT2014), Seattle (2014). 18) *OP* Yiheng Lim, Yukitoshi Otani : Simultaneous spectroscopic and elastographic measurement by multifunctional optical coherence tomography: Imaging Stokes polarimeter on six-axis robot arm, International Symposium on Optomechatronic Technologies (ISOT2014), Seattle (2014). 19) *IS* Yukitoshi Otani, Shuhei Shibata : Spectroscopic full-field Stokes polarimeter, International Symposium on Optomechatronic Technologies (ISOT2014), Seattle (2014). 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) 一般 谷口正毅,Mohammad Shohel Rana Siddiki, 前田勇, 有害金属に応答するシスエレメントと転写調節因子との結合親和性の解析, 日本農芸化学会 2014 年度大会, 東京 (2014). 2) ポ 前田勇, 久下沼匠, 大気中窒素分子を N 源とした紅色非硫黄細菌の増殖能の評価, 第 66 回 (2014 年 ) 日本生物工学会大会, 札幌 (2014). 3) 一般 前田勇, 土居寛幸, 秋山直毅, 乳酸菌による発酵牛乳上清に認められる乳酸菌増殖促進活性, 日本農芸化学会 2015 年度大会, 岡山 (2015). 4) 一般 鎌田葉, 杉坂純一郎, 大谷幸利, 谷田貝豊彦 : 分光ミュラー行列偏光計と境界要素法によるナノ構造評価 ナノ構造の作製と評価 ~, OPJ2014 (2014). 117

124 5) 一般 柴田秀平, 喜入朋宏, 早崎芳夫, 大谷幸利, 谷田貝豊彦広ダイナミックレンジ光強度検出器によるストークス偏光計, OPJ2014 (2014). 6) 一般 David I. Serrano-Garcia, Yukitoshi Otani : Temporal Phase Measurements Using a Polarization Phase Shifting Interferometer, OPJ2014 (2014). 7) 一般 坂口将仁, 大谷幸利 : 反射型分光ミュラー行列顕微鏡, OPJ2014 (2014). 8) 招待 大谷幸利: シンポジウム 偏光渦 クロージングリマークス, OPJ2014 (2014). 9) 一般 大谷幸利, 坂口将仁 : 分光ミュラー行例顕微鏡とそのバイオイメージングへの応用,2014 年光計測シンポジウム (2014). 10) 一般 David I. Serrano-Garcia, Yukitoshi Otani : Temporal phase measurements using a polarization phase shifting interferometer, 第 54 回光波センシング技術研究会, 東京 (2014). 他 15 件 著書, 総説, 解説等 1) 著書 前田勇, 宮坂均, 転写スイッチの機能に基づく有害金属バイオセンサー, 地球を救うメタルバイオテクノロジー微生物と金属資源のはなし,pp , 成山堂書店 (2014). 2) 著書 前田勇,DNA-タンパク質複合体の固相への修飾による有害金属の蛍光検出, バイオセンサの先端科学技術と新製品への応用開発,pp , 技術情報協会 (2014) 3) 著書 大谷幸利: 45. 偏光素子 59. 偏光計測 : 2, 光学技術の事典, 朝倉書店 (2014). 4) 著書 大谷幸利: 分光ミュラー行列偏光計, 表面科学,35 巻, 9 号, (2014). 5) 著書 大谷幸利: 光学素子計測についての技術動向と展望, 精密工学会誌,80 巻, 6 号, (2014). 6) 著書 大谷幸利:3 次元計測技術, 日本画像学会誌,53 巻, 2 号, (2014). 7) 著書 大谷幸利: 最近の三次元計測技術の最新動向, 画像ラボ, 11 号,42-48 (2014). 外部資金 ( 科学研究費 : 科研, 奨学寄付金 : 奨学, 受託研究 : 受託, 共同研究 : 共同 ) 1) 科研 前田勇,5,200 千円 窒素固定細菌共生系における菌叢ダイナミクスモデルの構築と大気中窒素の転換 基盤研究 (C)( 平成 年度 ). 2) 共同 大谷幸利,3,024 千円 サイエンス クリエイト ( 平成 26 年 ). 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 D3:2 名,D2:1 名,D1:2 名 博士前期課程 M2:4 名,M1:3 名 118

125 食用きのこのケミカルバイオロジーに関する研究 代表横田信三所属 職名農学部森林科学科 教授連絡先 TEL: FAX: メンバー羽生直人 山内隆弘 飯塚和也 石栗太 金野尚武キーワード食用きのこ ケミカルバイオロジー 酵素 タンパク質 二次代謝産物 背景および目的 [ 背景 ] これまでの株式会社北研との共同研究により 食用きのこ栽培廃菌床から リグニン分解酵素のラッカーゼ セルロース分解酵素であるセロビオヒドロラーゼ及び β グルコシダーゼ等 有用な酵素を生産できることを明らかにしてきた また シイタケでは これまでに抗菌性ポリアセチレン化合物 (lentinamycin A, B) ウィルス感染阻害剤 ( レンテミン FBP) 抗腫瘍性多糖類 ( レンチナン ) コレステロール減少効果物質 ( エリタデニン ) などの様々な生理活性物質が見出されてきている [ 目的 ] 本プロジェクトでは 我々及び既存の成果を更に発展させるため シイタケを中心とした食用きのこのケミカルバイオロジー研究を遂行する 得られた研究成果を基に 既に実施している株式会社北研との共同研究を更に深化させ また 医薬 食品会社との共同研究を進めて行く 特定の化合物 物質の添加 プロジェクトの内容 菌床による食用きのこ培養 人工液体培地による食用きのこ培養 食用きのこのケミカルバイオロジー プロテオミクス メタボロミクスなどによる有用化合物 物質の同定 定量 地域のきのこ産業の活性化 きのこ産業の高度化 きのこ産業の異分野産業との融合 木粉を基材とした菌床 及び人工液体培地に 特定の化合物または物質を添加して食用きのこを培養し 特定の培養期間後に菌床及び培地から タンパク質 ペプチド きのこの代謝物 培地の分解物等を抽出する 得られた抽出物について プロテオミクス及びメタボロミクスにより 得られた化合物 物質の同定 定量を行う 得られた結果より 有用な化合物 物質を特定し また その生産に適した培養条件を検討する 期待される効果 展開 製品化として考えられるものは 酵素 タンパク質 ペプチド アミノ酸 きのこの二次代謝産物 ( ステロール トリテルペン等 ) である 食用きのこを利用した医薬品や栄養サプリメントの生産技術を開発できることが期待される 更に これらの製品化を通じて 地域のきのこ産業の活性化 国内全体のきのこ産業の高度化 及びきのこ産業の異分野産業との融合が進展することが期待される 119 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門

126 プロジェクト 25 シイタケのケミカルバイオロジーに関する研究 ( 担当者 ) 橫田信三, 羽生直人 山内隆弘 飯塚和也 石栗太 金野尚武 プロジェクト研究成果概要 本研究では シイタケのケミカルバイオロジーに関する研究の一環として ペクチンを添加 (0.1%, 1%) してシイタケ菌床栽培を行い 菌糸培養中及び子実体発生中に生成される 菌体外セルラーゼの活性変化について調査した 菌体外タンパク質濃度は ペクチン無添加及び添加区とも菌糸の培養期間と共に増加し 子実体発生処理時に最大値を示した セルラーゼ ( アビセラーゼ カルボキシメチルセルラーゼ β- グルコシダーゼ セロビオース デヒドロゲナーゼ ) 活性の経時変化については 実験途中のため 各処理区における活性変化の傾向はつかめていないが ペクチン 1% 添加区が無添加区と比較して高い酵素活性を示す可能性が示唆された 子実体収量については ペクチン 0.1% 添加区ではやや減少したが ペクチン 1% 添加区では無添加区と同等であった シイタケ菌床 ペクチン 1% 添加 菌床栽培 無添加区と同程度の子実体収量 セルラーゼ活性増加の可能性 国内研究発表 ( 基調講演, 招待講演, 依頼講演, 一般発表, ポスター発表 ) 1) ポ 上田智聡 山内隆弘 大島潤一 石栗太 飯塚和也 橫田信三 シイタケ 2 菌株菌床栽培中の培養浸出液および上面水における菌体外タンパク質のプロテオーム解析, 日本木材学会, 東京 (2015) 学生教育 ( 主任指導 ) 博士後期課程 D3:1 名,D2:1 名,D1:3 名 博士前期課程 M2:2 名 120

127 3. 平成 26 年度 CDI 研究助成制度 3.1 平成 26 年度中核的研究機関研究員 海外派遣動向調査若手研究者 ヤングスカラーリスト 3.2 CDI ポスドク研究成果報告書 3.3 海外派遣動向調査若手研究者報告書 3.4 ヤングスカラーシップ研究成果報告書 3.5 ヤングスカラーシップ国際会議報告書 121

128 3.1 平成 26 年度中核的研究機関研究員 海外派遣動向調査若手研究者 ヤングスカラー リスト 中核的研究機関研究員 ( ポストドクター ) 非常勤職員名任用期間年数担当教員研究開発テーマ サラントラガ萨仁同拉嘎 オオツカ大塚 キタノ北野 ヤマト山登 タカミツ嵩光 ユウダイ雄大 カズキ一輝 H25.4.1~ H H26.4.1~ H H26.4.1~ H H ~ H 年長尾慶和 イヌ卵子の体外成熟と顕微授精に関する研究 新規 湯上登 レーザー生成プラズマ光源の特性解明に関する研究 新規 横田和隆 スポーツの教示訓練を目的とした腕部関節運動訓練装置の開発 新規長谷川まどか 3 次元ヒストグラムを利用する可逆電子透かしに関する研究 海外派遣動向調査若手研究者海外派遣動若手研究者派遣国受入機関派遣期間ミヤザキタカノリアイルランドアイルランド国立大学宮崎孝基 H ~H 共和国ダブリン校 (UCD) ヤングベンチャースカラーシップ研究グラント 名前学年研究テーマ ミヤザキ宮崎 タカノリ孝基 DC1 生体細胞観察用水の窓軟 X 線顕微鏡の実現 リ李 ギョウカク 暁赫 MIAH MD JALI Sunardi Wiwin Tyas Istikowati アイソ相蘇 ヤマグチ山口 ハルナ春菜 ミオ美緒 DC2 DC2 DC2 DC3 DC1 DC1 コンクリートの初期材齢における湿潤養生条件が中性化進行性に及ぼす影響 Preparation of well ordered monolayer of 9-alkoxy-11-oxa[9]helicenes and its application in solar cell as a electron donor. Proteomic analysis of extracellular cellulases from a white-rot fungus Porodaedalea pini Evaluation of chemical and pulp properties in three native fast-growing species from a secondary forest in South Kalimantan, Indonesia インドネシア スマトラ島に植栽された早生樹 Kayu Bawang の成長と木材性質の関係放牧が乳牛の乳質に及ぼす影響に関する栄養学的および行動学的解析 アベ阿部 ユウキ有貴 DC2 異なる性質の微小物体に対する自動把持解放 MOHD RIDHA BIN MUHAMAD DC3 電解複合したパイプ内面磁気研磨法に関する研究 122

129 ゴ呉 キンチュウ 金忠 DC2 変動磁場を利用した新しい超精密平面磁気研磨法に関する研究 ハラアスカ原明日香 アカイ赤井 ナオキ直紀 リン イー ヘン タカハシ高橋 ヨウヘイ庸平 DC1 DC2 DC3 MC1 反芻動物における乳腺組織の構築過程に関する組織学的解析環境中に存在する磁場ノイズの地図化とそれを用いた自律移動法に関する研究高分解能光干渉断層計を用いた生体の分光と弾性の3 次元分布の計測装置の研究開発 2 関節筋モデルに基づくクッション性を有する脚モジュールの開発 ~ 脚モジュールによる 2 足歩行ロボットの製作とその計測 ~ ワクイヨシノリ湧井宣考 ミヤウチユウ宮内優 MC2 MC2 Mn ドープスピネル型赤色蛍光体の合成と評価カバノアナタケ菌 IO-U1 株に感染したシラカンバ幼植物体 No.8 におけるペルオキシダーゼの MALDI/TOF/MS イメージング解析 クラタ倉田 サオリ沙織 MC1 オンライン手描き線画に対する対話的彩色手法 オオデ大出 チサト知里 MC1 ジヒドロレスベラトロールをコア構造とする新規メラニン形成調節剤の開発 アベ阿部 サトル智 MC1 トラフグの性格および性成熟にかかわる遺伝子群の解析 フナキカズシ舟木和詩 シミズナオミ清水奈緒美 MC2 MC2 新規カルコゲナイドナノシートの合成およびナノシートを用いた材料開発の検討アルミニウム合金 / プラスチックの異材摩擦攪拌接合技術の最適化 フルヤ古矢 マサル大 MC2 π 共役拡張ジピロメテン並びにその複合体の新規合成 ドイヒロユキ土居寛幸 ヤギミサエ八木美冴 MC1 MC1 牛乳の混合発酵における Enterococcus faecalis の Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus 増殖促進作用 赤外線センサを用いた 3 次元モデリングシステムの提案 アサヌマ浅沼 ケンタ健太 ヤマモトチアキ山本千晶 フジイユウタ藤井雄太 ミヤタ宮田 ヒロアキ裕章 MC1 MC1 MC1 MC2 Ni-W-P 合金めっきのアルカリ水電解用カソードとしてのパフォーマンスの検討ウシ顕微授精時の精子注入ピペットによる物理的ダメージがその後の胚発生に及ぼす影響タンパク質間相互作用を可視化する超高輝度蛍光イメージングシステムの開発 3D ディスプレイのための大規模計算機ホログラム生成の GPU による高速化に関する研究 123

130 ハセガワジュン長谷川潤 カツマタ勝俣 マサユキ雅之 フジモトカイ藤本開 MC1 MC1 MC2 6 軸ロボットを用いたストークス偏光計経口免疫寛容を補助 増強する食物成分の探索とそのメカニズムの解析両親媒性スルファミド誘導体の展開単分子膜における凝縮相形態制御に関する研究 カワサキ川崎 マサト将人 MC2 サブナノ秒波長可変中赤外レーザーの開発 シンドウ進藤 タクシ拓志 MC1 橈骨変形治癒における前腕回旋の 3 次元シミュレーション ムロイリョウコ室井涼子 カイブンセイ解文成 MC1 MC1 フラボノイド配糖体の代謝により生じるアグリコンが β-グルクロニダーゼ活性に及ぼす影響の検討 ロボットを利用した曲がり管の内面研磨システムの開発 ヤマモト山本 フユキ 冬起 MC1 手術ロボット用多自由度鉗子マニピュレータの開発 タテオカジュン楯岡潤 タケウチ竹内 リョウスケ遼恭 MC1 MC1 低アレルゲン化 β-ラクトグロブリン分解物による経口免疫寛容誘導の検討とその分解ペプチドの解析インドネシアの二次林における未利用早生樹数種の細胞形態の半径方向変動 サヤマ佐山 リョウ諒 MC1 建築物の外装における雨水流れ制御のための要素技術開発 ヤングベンチャースカラーシップ国際会議奨励グラント 名前学年発表論文名 イシカワ石川 シンジ慎二 DC3 複素振幅型ディジタル超解像顕微鏡によるナノ構造のサイズ計測 ツブラヤトモノリ圓谷友紀 DC1 代数マルチカラーオーダーリングによる Eisenstat の方法を導入した前 処理付き MRTR 法の並列化 Reem Al Sehnawi DC3 補修された橋脚模型の固有振動数及び減衰定数の振幅依存性 キクチ菊池 ヨウスケ陽介 MC1 臨海温度以下における金属中間層を付与した管状パラジウム膜の耐久性 キクチ菊地 ユウヘイ悠平 MC1 CHA 型ゼオライト複合膜による IPA- 水混合物の連続水蒸気分離 かわかみれい川上玲 タカヤマ高山 ユリコ友理子 MC1 MC2 カプセル包括固定細菌を用いるオートインデューサー酵素分解法によるクオラムセンシングの抑制制御水晶発振子マイクロバランス法を用いたクオラムセンシングレセプター SpnR とシグナル分子の相互作用解析 124

131 スズキ鈴木 ソウタ 奏太 MC1 仮想物体に対する素手での掴み動作に着目した AR システム タナカ田中 リナ里奈 MC1 低信頼度の姿勢情報の置換による 3DCG アバタの実時間動作生成 イグチ井口 マイ舞 オチアイマサユキ落合正幸 オオシマ大島 フジタ藤田 アツシ淳志 ユウヘイ 優平 MC2 MC1 MC1 MC1 常温硬化型超高強度鋼繊維補強コンクリートの基本的性状に関する実験的研究 GPS 信号を利用したフィンガープリント技術に基づく屋内位置推定手法に関する研究 573K 以下での金属中間層と表面アルミナコーティング層の導入によって作製された高耐久性パラジウム複合膜 APOBEC2 の欠損はオートファジーと骨格筋中のミトコンドリアの異常を引き起こす 125

132 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ポストドクター研究成果報告書 3.2 イヌ卵子の体外成熟と顕微授精に関する研究 長尾慶和 ( 教授 ) *1,3,4 萨仁同拉嘎 ( 中核的研究機関研究員 ) *1,2 緒方和子 (D3) *1,3 佐藤あかね (M2) *1,4 * 1 宇都宮大学農学部附属農場 * 2 宇都宮大学地域共生研究開発センター大学院 CDI 部門 * 3 東京農工大学大学院連合農学研究科博士課程生物生産科学専攻 * 4 宇都宮大学大学院農学研究科修士課程生物生産科学専攻 1. 緒言イヌにおいては 他の動物種と比較して人工繁殖技術の進歩は遅く いまだ卵子や胚の体外培養系 特に体外成熟培養技術が確立されていないのが現状である イヌ卵子の成熟過程は 哺乳類の中できわめて特異的である 排卵卵子は大きな卵核胞を有し 排卵後に卵管内で第一成熟分裂を再開し第一極体を放出し 一般的な哺乳動物の排卵時期である第二成熟分裂中期に移行する (Tsutsui et al., 1989) イヌ卵子の体外成熟率は 他の哺乳類と比較して著しく低い(Kim et al., 2005) 体外成熟率が向上し 体外で安定的にイヌ成熟卵子を得ることが可能になれば 雄および雌イヌの優良遺伝子を有効に利用する体外受精や顕微授精などの発生工学技術に応用することが可能となり 優秀な盲導犬獲得のチャンスが広がる 一般に 成熟卵子を得る方法として 発情誘起処置により体内で成熟させた卵子を回収する方法と 卵巣から未成熟な卵子を採取し 体外成熟によって成熟卵子を得る方法があるが いずれの方法でも イヌの成熟卵子を得ることは極めて困難であり 他の動物種で確立されている技術をそのままイヌに応用することはできない そこで本研究では ウシで開発された体外成熟培養法を基にして 摘出されたイヌ卵巣から採取された未成熟な卵子を発生工学的に活用して産子得ることを目的として medium199(m199) を基礎培地とした体外成熟培地を用いて トランスフォーミング成長因子 α(tgf-α) およびインシュリン様成長因子 Ⅰ(IGF-Ⅰ) の添加効果がイヌ卵子の体外成熟へ及ぼす影響について検討した 加えて TGF-α と IGF-Ⅰの同時添加効果についても検討した さらに 成長因子の働きをより効果的に促進することを目的に 成長因子とあわせて添加した PTEN 阻害剤 (bpv) がイヌ未成熟卵子の体外成熟培養に及ぼす影響について検討を行った 2. 材料および方法動物病院で避妊手術によって摘出されたイヌ卵巣のうち 飼主により実験提供の同意が得られた卵巣から細切法により卵丘細胞卵子複合体 (COC S ) を採取し 卵丘細胞が緊密に付着した COC S を選別して実験に供試した 基礎培地 m199 を用いて 38.8 飽和湿度 5% CO2 in air 下で

133 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ポストドクター研究成果報告書 時間体外成熟後 ピペッティングにより卵子周囲の卵丘細胞を除去したあとにヘキスト染色固定標本作製し 核相を共焦点レーザー顕微鏡により判別し 成熟率を評価した すなわち 卵核胞期 (GV 期 ) 卵核胞崩壊期(GVBD 期 ) 第一減数分裂中期(MⅠ 期 ) 第二減数分裂中期(MⅡ 期 ) に判別した また 核の凝集あるいは散在がみられた核相は変性とした 核相が判別できない卵子は不明とし それぞれのステージの率を求めた 得られた結果は Tukey-Kramer 法で統計解析を行い P<0.05 で有意差ありとした 実験区の設定実験 1. 体外成熟培養液中への TGF-α(human, Sigma,T7924) の添加がイヌ未成熟卵子の体外成熟に及ぼす影響について検討した TGF-α を および 100ng/ml 添加した m199 PVA 中で成熟を行い 培養 48 時間後に卵丘細胞の現象および固定標本を作製して成熟の状態を評価した 実験 2. 体外成熟培養液中への IGF-1(human, Sigma, I3769) の添加がイヌ未成熟卵子の体外成熟に及ぼす影響について検討した IGF-1 を および 50µg/ml 添加した m199 PVA 中で成熟を行い 培養 48 時間後に卵丘細胞現象および固定標本を作製して成熟の状態を評価した 実験 3. 体外成熟培養液中への TGF-αおよび IGF-1 の様々な濃度で同時添加がイヌ未成熟卵子の体外成熟に及ぼす影響について検討した 0ng/ml TGF-αおよび 0µg/ml IGF-1 1ng/ml TGF-α および 0.5 µg/ml IGF-1 10ng/ml TGF-αおよび 5µg/ml IGF-1 10ng/ml TGF-αおよび 10µg/ml IGF-1 ならびに 100ng/ml TGF-αおよび 50µg/ml IGF-1 を組み合わせて添加した m199 PVA 中で成熟を行い 培養 48 時間後に卵丘細胞の現象および固定標本を作製して成熟の状態を評価した 実験 4. 体外成熟培養液中への TGF-αおよび IGF-1 の最適な同時添加濃度における bpv の添加がイヌ未成熟卵子の体外成熟に及ぼす影響について検討した TGF-αおよび IGF-1 の最適な同時添加培地に bpv(hopic, Calbiochem, ) を および 200µmol/l 添加した m199 PVA 中で成熟を行い 培養 48 時間後に固定標本を作製して成熟の状態を評価した 3. 結果実験 1. 表 1 に示した通り MⅠ+MⅡ 期率においては 各区の間で比較して差はなかった MⅡ 期率については 10 ng/ml 添加区で 0 ng/ml 区に比べて高い傾向を示した 表 1. 培養液中への TGF-α の添加がイヌ未成熟卵子の体外成熟に及ぼす影響 実験回数 :7 回 a-b: 異符号間に有意差あり (P<0.05) 127

134 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ポストドクター研究成果報告書 実験 2. 表 2 で示した通り MⅡ 期率においては 50 µg/ml 添加区で 0 および 0.5 µg/ml 添加区 に比較して有意に高かった MⅠ+MⅡ 期率において 10 µg/ml 添加区で高い傾向が見られた また IGF-1 添加濃度が高くなるにつれて卵丘細胞の膨化が見られた 表 2. 培養液中への IGF-1 の添加がイヌ未成熟卵子の体外成熟に及ぼす影響 実験回数 :6 回 a-b: 有意差あり (P<0.05) 実験 3. 表 3 で示した通り MII 期率においては 10 ng/ml TGF-αおよび 10µg/ml IGF-I 添加区で 無添加区に比較して有意に高かった MI および MII 期率の合計が 10ng/ml TGF-αおよび 10µg/ml IGF-1 添加区において高い傾向を示した また TGF-αおよび IGF-1 を添加することによって 卵丘細胞の膨化が見られた 表 3. 培養液中への TGF-α および IGF-1 の同時添加がイヌ未成熟卵子の体外成熟に及ぼす影響 実験回数 :12 回 a-b: 異符号間に有意差あり (P<0.05) 128

135 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ポストドクター研究成果報告書 実験 4. 表 4 に示した通り GV GVBD MI MII および MI+MII 期率において 無添加区と添加 区間において差は認められなかった 表 4. 培養液中への bpv の添加がイヌ未成熟卵子の体外成熟に及ぼす影響 実験回数 :16 回 4. 考察 TGF-αの単独添加による有意な効果は認められなかった IGF-1 の添加については 0 および 0.5µg/ml 添加区と比較して 50µg/ml 添加区において MII 期率が有意に向上する効果が認められ 卵丘細胞の膨化が見られた また MII 期率が無添加区と比較して 10ng/ml TGF-αおよび 10µg/ml IGF-1 同時添加区において有意な向上し それぞれの成長因子の単独添加区よりも MI および MII 期率が向上したことから TGF-αと IGF-1 には相加効果のあることが示唆された その要因として 卵丘細胞を介して TGF-αによって促進される Ras/Raf 経路が IGF-1 によって活性化される PI3K/Akt 経路を活性化し 細胞分裂や増殖を促進させることで 核成熟が促進された可能性が考えられる 5. 結言本研究の結果より TGF-αおよび IGF-1 を至適濃度で組み合わせて培養液中へ添加することで 単独添加より イヌ卵子の卵丘細胞の膨化や核成熟を促進させることが示唆された 今後は これらに加えて他の成長因子やエネルギー基質などの効果も検討し より高い成熟率を目指したい 6. 参考文献 1) Tsutsui T. Gamete physiology and timing of ovulation and fertilization in dogs. J Reprod Fertil. 39:269-75(1989). 2) Kim MK, Fibrianto YH, Oh HJ, Jang G, Kim HJ, Lee KS, Kang SK, Lee BC, Hwang WS. Effects of estradiol-17beta and progesterone supplementation on in vitro nuclear maturation of canine oocytes. Theriogenology. 63: (2005). 129

136 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ポストドクター研究成果報告書 レーザー生成プラズマ光源の特性解明に関する研究 大塚崇光 Takamitsu Otsuka (PD) 宇都宮大学地域共生研究開発センター CDI 部門 ( 指導教員 ) 湯上登 ( 教授 ) Noboru Yugami (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科電気電子工学専攻 1. 緒言ラジオやテレビ信号の搬送通信, 医療レーザーや加工レーザーなど, 現代の生活は電波を含む光科学によって支えられていると言っても過言ではない. 近年, 電波と光波の中間のスペクトル帯域であるテラヘルツ帯が注目されている. テラヘルツ電磁波は非破壊検査や吸収分光による物質の同定などに応用されている. 電磁波の応用を行う上で重要なパラメータは周波数や平均出力, パルス駆動であればパルスあたりのエネルギーやパルス幅などである. 一般にテラヘルツ波の発生には電圧を印加した光伝導アンテナと呼ばれる半導体に, フェムト秒パルスレーザーを照射する手法が用いられる. これは励起されたキャリア寿命がピコ程度であることをうまく利用し, その逆数で決まる周波数を取り出す手法である. 近年では改良が進み非常に広帯域なスペクトルを小型のフェムト秒ファイバーレーザーで発生させることが可能となった. 一方で損傷閾値がある半導体を用いているため入射エネルギーに制限がある. 対策として高出力化のための大口径光伝導アンテナも研究されているが, 数マイクロジュールが達成されるに留まっているのが現状である. このような波長変換を用いる電磁波源の高出力化は, 変換効率の向上を図るか, 入力エネルギーを増加させることが解決策になるが, 固体物質を用いる場合には損傷閾値が存在するため入力エネルギーの増加には限界がある. この打開策としてプラズマを用いて行なう手法がある. 2.DC to AC radiation converter (DARC) による電磁波の発生 CPA (Chirped Pulse Amplification) レーザーの登場によってパルスレーザーの高出力化が達成され, 実験室において集光強度 W/cm 2 が容易に達成できるようになった. このような超高強度レーザーパルスをガスに集光すると, レーザーパルスのフロントにおいてガスとプラズマの急峻な境界が生じる. この境界面はプラズマ中におけるレーザーの群速度で伝搬し, ほぼ光速 c に等しい. このような急峻な密度勾配を有し光速で伝搬する境界を相対論的電離面 (relativistic ionization front) という. この相対論的電離面に対向入射する電磁波を考える. 電離面の系で考えるためローレンツ変換を用い, 電離面に入射する電磁波の周波数と波数を計算すると, それぞれ i = i (1+ ) 2 i, k i 2 k i となる. ここで は相対論的因子 = 1/(1- ) 1/2 ( = v f /c,v f は電離面の速度である ) で 130

137 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ポストドクター研究成果報告書 図 1. DARC の概念図 図 2. 実験装置の概念図 あり, プライムは電離面の系での物理量を表している. このような物理量を有する入射電磁波が電離面を透過する場合, つまり i > p ( p はプラズマ周波数 ) の場合, これは空間的不連続な場合の境界値問題であり波数のみが変化する. プラズマ中の分散関係を考慮すると, 周波数 t 及び波数 k t はそれぞれ t = i 2 i,k t = ( t 2 2 p ) / c = (4 2 i 2 p ) / c となる. これをローレンツ逆変換によって静止系での量に変換すると, それぞれ t = ( t - v f k t ) 2 = i [1 + ( p / i )],k t = k i [1 ( p / 4 2 i )] となる. つまり透過した電磁波の周波数は上昇するのである. ここで対向入射する電磁波を周期静電場に置き換えることを考える. 周期静電場は i = 0 であるが, 電離面の系では電離面に対向入射する電磁波として観測される. 先程と同様にローレンツ変換を用いると, 入射電磁波の周波数は i = k 0 v f, 波数は k i = k 0 となる. 入射電磁波の周波数がプラズマ周波数より大きい場合, 電離面の系においては単純な空間的不連続面に入射する電磁波の問題であるから, 電磁波は同じ周波数 i で透過し波数のみが変化する. 透過電磁波の波数はプラズマ中の分散関係を満たすから,k = [( k 0 v f ) 2 p 2] 1/2 / c である. この電離面の系での周波数及び波数をローレンツ変換し静止系に戻すと, 電離面後方に透過した電磁波の周波数は, = 2 k 0 v f [1 v f / c (1 2 p / 2 k 2 0 v 2 f ) 1/2 ] となる. 相対論的因子が大きい場合, つまり電離面の系におけ 2 る入射電磁波の周波数がプラズマ周波数よりも十分に大きい場合には, k 0 v f / 2 + p / 2k 0 v f と近似できる. この周期静電場と相対論的電離面の相互作用による電磁波放射源は Mori 等によって提案され DC to AC radiation converter (DARC) と呼ばれている. 図 1 は DARC の概念図である.DARC はプラズマ周波数 p または周期構造 k 0 を変えることによって周波数を変えることが可能であり, 加えてプラズマを媒質して用いているため損傷閾値がないという利点がある. また, 理論的には印加した電場をそのまま取り出すことができるため高出力化も期待できる. 実証実験はすでに行われており, 最大で 84 GHz の放射が観測されている. しかしながらテラヘルツ帯での安定且つ高出力な電磁波放射観測は行われていないため, 周波数可変な放射源 DARC によりテラヘルツ電磁波を発生させることを本研究の目標とした. 3. 実験図 2 は実験装置の概念図である. 窒素が充填された真空容器内に焦点距離 f = 800 mm の平凸 131

138 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ポストドクター研究成果報告書 図 3. DARC からの理論放射周波数 図 4. 信号強度の電子密度依存性 図 5. 最大信号電圧の印加電圧依存性 レンズを用いてレーザーパルスを集光照射しプラズマを励起した. 用いたレーザーは中心波長 800 nm, 最大エネルギー 30 mj, パルス幅 120 fs (full width at half maximum: FWHM) の Ti:Sapphire レーザーである. 集光点にはパルス電源に接続された DARC を設置した.DARC は厚さ 1 mm の銅電極対から成り, ギャップ間隔 (b) は 1 mm, 伝搬方向の間隔 (d) は 1 mm である. パルス電源の最大印加電圧は 4.5 kv, パルス幅は 200 ns (FWHM) である. 集光点に設置した PIN フォトダイオードを用いてレーザーパルスを検出し, パルスジェネレーター (Stanford Research Systems: DG535) で作成した遅延信号によりレーザーパルスとパルス電源を同期した. DARC からの放射電磁波を F ( THz),G ( THz) 及び Y ( THz) バンド帯の検出器によって検出し, オシロスコープを用いて時間波形を計測した. プローブレーザーをプラズマ励起レーザーの伝搬軸に対して垂直方向から入射させ, マイケルソン干渉計を用いて集光点付近の電子密度を算出した. 図 3 は今回用いた DARC からの理論放射周波数と電子密度の関係である.DARC からの放射周波数が検出器のバンド帯になるよう cm -3 で実験を行った. 4. 結果と考察図 4 は信号強度の電子密度依存性であり, 破線は理論曲線である. 信号強度は電子密度の増加とともに変化し, 最大値となる電子密度は各バンド帯で異なった. これは電子密度 ( プラズマ周波数 ) によって放射周波数を変化させることができる DARC の特徴である. 最大値となる電子密度は実験結果と理論値でほぼ一致したが, 理論値と比べ実験結果は電子密度の増加に対しゆっくりと変化した. これは実験で使用した検出器が各バンド帯の外側に対してもわずかに感度を有していることが理由である. また, 実験で用いたレ 132

139 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ポストドクター研究成果報告書 ーザーパルスは TEM 00 の空間プロファイルであるから, レーザーパルスの径方向のプラズマ密度は一定ではないことも要因である. 図 5 は最大信号電圧の印加電圧依存性である. 各バンドの最大信号電圧は印加電圧の 2 乗に比例した. 理論的には DARC から放射される電磁波の出力 P out は印加電圧の 2 乗に比例することが明らかになっているため, 今回実験で観測された電磁波は DARC からの放射であると結論付けることができる. 理論計算によって 250 W の出力が期待されたが, 観測された電磁波の最大出力はおよそ 20 µw であった. 今回の実験では DARC の設計にあたり, 導波管やホーンアンテナ構造を考慮していなため損失や反射が大きいことが原因である. 5. 結言周波数可変な電磁波源である DARC を用いてテラヘルツ波を発生させることを目標に研究を行った. 放射帯域は電子密度に, 放射出力は印加電圧に依存したことから観測されたテラヘルツ電磁波は DARC からの放射であると結論付けられる. 観測された最大周波数は 0.33 THz であった. しかしながら理論計算によって電子密度 cm -3 において放射周波数が 1 THz に達すると予測されているため, 今後は THz 領域での計測を行いたいと考えている. 最大出力は 20 µw であったが,DARC の構造を改良することにより応用研究へ向けた高出力化が期待できる. 参考文献 1) W. B. Mori et al., Phys. Rev. Lett. 74, 542 (1995). 2) C. H. Lai et al., Phys. Rev. Lett. 77, 4764 (1996). 3) P. Muggli et al., Appl. Phys. Lett. 72, 19 (1998). 133

140 スポーツの教示訓練を目的とした腕部関節運動訓練装置の開発 北野雄大 ( ポストドクター ) Yudai KITANO (PD) 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門 ( 指導教員 ) 横田和隆 ( 教授 ) Kazutaka YOKOTA (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究部循環生産研究部門 1. 緒言人間の腕や脚は少しずつであったとしても不適切な動作を繰り返せば, 関節や筋肉に負担が蓄積され, 重大な障害を引き起こす可能性がある. その為, スポーツのような複雑で大きな力が伴う運動や医療におけるリハビリテーションなどにおいては, 適切な関節運動で訓練を行うことが肝要である. 近年, 人体に装着し, 装着者の動作の補助や増幅を行う装置の開発が広く進められており, スポーツ訓練への応用も検討されている. 国内では山海らの Hall (1) などの介護用の装着型ロボットが開発され, 国外では Raytheon 社の XOS2 (2) などの軍事用の装着型ロボットの開発が進められている. しかし, これらの装置は人体の大きな運動にのみ注目し, 運動を単純化している為, 上記の様な問題が起こる可能性がある. 本研究ではこの様な問題に対応可能な高自由度な装着型訓練装置の開発が必要であると考えた. 動作訓練においては微細な動きを再現した動作データの作成が難しいことから熟練者の動作すべてを動作データとして記録し, 訓練者に直接教示するマスタースレイブ方式の訓練法が採用されている []. マスタースレイブ方式を用いて複雑な運動 動作を適切に訓練するためには, 人体の自由度と同等の計測システムと動作教示システムが必要である. 本研究ではパラレルリンク機構を応用した高自由度動作訓練装置を開発した. パラレルリンクの採用により, 一関節に対する関節運動のほぼすべてを計測 訓練することが可能であり, 運動時の関節運動の詳細を教示することが可能である. 今回のプロジェクトでは訓練装置を手関節に対応させた運動訓練装置を開発した. 開発した訓練装置を用いて手関節の掌 背屈運動の教示訓練を行い, 訓練装置の評価を行った. 2. 手関節構造手関節は図 1 に示すように橈骨, 尺骨, 手根骨, 中手骨からなり, 手関節の運動に伴い, 手根骨を構成する骨格の位置関係が変化することが知られている (3) (4). 今回のプロジェクトにおいて教示を行った掌 背屈動作とは図 1 に示すように掌を掌方向もしくは手甲方向に傾ける動作である. 134

141 Fig. 1. Structure of the wrist joint Fig. 2. Block diagram of training device 3. 実験 3.1 実験目的開発した手関節運動訓練装置を利用し, 被験者に対して掌 背屈動作の教示を行う. さらにモーションキャプチャを利用して訓練時の被験者の掌の動きを計測し, 訓練装置の動作の評価を行う. 3.2 実験装置図 2 に訓練装置の装着時の様子を示す. 実験装置は図 2 に示すように訓練装置と計測装置が別に存在する構造となっている. 訓練装置は本来, 装着型の構造であるが, 本実験においては計測の精度向上のために前腕部装具を机に固定している. 前方に配置された web カメラにより, 装置掌部のマーカの座標の移動を計測することが可能である. 装置のアクチュエータには日本パルスモータ社製シャフトモータ S080Q-200, モーション制御ボードには日本パルスモータ社製 MNET-M321-MIA, カウンタには DACS 社製 DACS-1500-CNT, リニアエンコーダにはマイクロテック ラボラトリー社製 MLS ,web カメラには Buffalo 社製 BSW32KM03 Glass Lens Web Camera を用いた. サンプリングタイムはシャフトモータの構造から 100msec とした. 3.3 被験者研究では手関節に故障経験のない,22~29 歳男性 3 名 ( 平均 ± 標準偏差 : 年齢 24.3±3.3 歳, 身長 174.7±4.1 cm) の右腕に対して実験を行った. 3.4 実験手順まず初めに, 計測装置を用いてマスターデータ ( 目標動作 ) を計測し, 各リニアエンコーダの長さ変化を記録する. 本実験でのマスターデータは被験者 A(29 歳,174 cm) の手関節の掌 背屈動作とした. 次に, マスターデータを訓練装置に入力し, 被験者 A, 被験者 B, 被験者 C に対して教示訓練を行う. 最後に,web カメラを用いて, 訓練の際の掌に取り付けたマーカの動きを計測する. 図 3(a) は訓練装置の装着時の外観, 図 3(b) は訓練装置と web カメラの座標系の向きである.X 軸は図 3(b) に対して奥向き方向が正となる. 実験に際して, 訓練装置の掌部のフレームのマーカの中心が,web カメラに対して図 3 の座標系に対して X 方向に 0 mm,y 方向に-40 mm,z 方向に 360 mm の位置になるよう装具を被験者に装 135

142 着する. 装置の前腕装着部はカメラとの位置関係を維持するため, 固定具により固定する. 装着の際の姿勢は指, 掌, 前腕を鉛直上向きに向け, 掌を体幹方向に向けた姿勢を 0 deg と考えた場合に, 掌を前腕に対して 30 deg 背屈した姿勢とする. マスターデータは 30 deg 背屈した姿勢から 70 deg 掌屈する動作である. 実験に 際しては被験者に予め説明し, 動作の際に脱力するよう指示する. (a). Overview (b). Relationship between devices Fig. 3. Overview of training device 4. 結果と考察 4.1 実験結果図 4 に訓練時の掌のマーカの動きを示す. それぞれのグラフは被験者 3 名の各軸方向の動きを示している.X 軸方向の動きは 3 名とも共通して 0 mm 前後で一定である.Z 軸方向の動きは X 軸方向の動きに比べ, 差が大きくなっているが 4~5 sec の間で最大値になるなどの傾向の一致が見られる.Y 軸方向の動きも同様に, 傾向の一致が確認できるが, 各被験者間でのズレがその他の軸方向に比べて大きくなる. Fig. 4. Motion variation in the experiments 4.2 考察図 5 に各軸方向におけるそれぞれの被験者の動作幅 ( 各軸方向の動きの最大値 - 最小値 ) を示す.X 軸方向のズレは被験者 A と C との間で最も大きく 5.1 mm,y 軸方向のズレは被験者 A と B との間で最も大きく 17.4 mm,z 軸方向のズレは被験者 A と B との間で最も大きく 9.5 mm となる. このことから本手法において 20 mm 以下程度の訓練が可能であることがわかる. Y 軸方向のズレが最も大きくなった原因について装具の問題が考えられる. 図 3(a) に示すよう 136

143 に訓練装置は手関節用サポータを介して固定されている. サポータは掌に装着するための構造上, 掌に対して平行に穴が開いており, 多方向に比べて拘束が弱い. その為, その他の方向に比べズレが大きくなったと推測される. このような問題の解決には装置の装着方法の改善が必要であり, 今後の課題となる. Fig. 5. Comparison of each axis motion 5. 結言今回のプロジェクトではシャフトモータを利用した装着型パラレルリンク式訓練装置を開発した. 開発した訓練装置を用いた教示訓練を実施し, モーションキャプチャの利用により, 実際の掌の動きの計測を行った. 計測から掌に対して高自由度教示訓練が行われていることが確認された. 参考文献 (1) 新宮正弘, 江口清, 山海嘉之, バイオフィードバックを用いたポリオ経験者の筋神経系制御能力の改善とロボットスーツ HAL による麻痺肢動作支援 ( 機械力学, 計測, 自動制御 ), 日本機械学会論文集. C 編,Vol.76,No.772,pp ,2010. (2) Raytheon unveils lighter, faster, stronger second generation exoskeleton robotic suit, (3) 北野雄大, 中山恵介, 横田和隆 : 装着型パラレルリンク機構を用いた手関節運動計測装置の開発, 生体医工学,51 巻 6 号,pp ,2013. (4) Ibrahim A. Kapandji:Funktionelle Anatomie der Gelenke 1. Obere Extremitaet, Mosby Inc,pp ,

144 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ポストドクター研究成果報告書 3 次元ヒストグラムを利用する可逆電子透かしに関する研究 山登一輝 ( ポストドクター ) Kazuki Yamato (PD) 宇都宮大学大学院工学研究科情報システム科学専攻 ( 指導教員 ) 長谷川まどか ( 准教授 ) Madoka Hasegawa (Associate Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科情報システム科学専攻 1. 緒言可逆電子透かし (Reversible Watermarking: RW) 1)~8) は, 画像をわずかに改変することで秘密情報を埋め込む手法である.RW は, 透かし入り画像には画質劣化が生じるが, 埋め込まれた情報を抽出することで, 透かし入り画像を原画像に完全に復元できるという特性を持つ. それゆえ,RW は医用画像など画質劣化を一切許容できない応用分野での利用に適している. これまで, 様々な RW が研究されており, ヒストグラム変更型の RW 4)~8) は, その中でも注目を集めている. ヒストグラム変更型の手法の 1 つとして,Jinna らはウェーブレット変換係数を利用した RW を提案した 6). この手法は, 高周波成分のウェーブレット変換係数から作成したヒストグラムを利用することで, 画像の冗長性を有効活用している. 一方で, 各サブバンドへの透かし埋め込みは, それぞれ独立に行われており, サブバンド間の関係は考慮されていない. サブバンド間の関係を考慮すれば, より効率的な情報埋め込みが実現できると考えられる. このような観点から, 本研究では,3 つの高周波サブバンド間の関係を考慮するために,3 次元変換係数ヒストグラムを利用した RW を提案する. まず, 整数ウェーブレット変換を用いて, 原画像をサブバンドに分割する. 次に, 得られた高周波サブバンドから 3 次元ヒストグラムを作成する. 提案手法では,3 つのサブバンドにおける同じ座標に位置する 3 つの変換係数を 1 つの変換係数ベクトルとして考え, 変換係数ベクトルの出現頻度を計測し, ヒストグラムを作成する. 得られた 3 次元ヒストグラムを利用することで, サブバンド間の関係を考慮した秘密情報の埋め込みが可能となる. また, 提案手法の有効性の評価実験の結果, 従来手法と比較して, 最大埋め込み可能容量が 16% 増加することを確認したので, 報告する. 2. 理論提案する RW は,3 次元ウェーブレット変換ヒストグラムを拡大することで, 情報を埋め込む. まず, 可逆な整数ウェーブレット変換を用いて, 原画像をサブバンドに分割する. ここで, 得られる 3 つの高周波サブバンドを s a = {s a(x, y)},s b = {s b(x, y)},s c = {s c(x, y)} とする. なお,s a(x, y),s b(x, y),s c(x, y) は, それぞれサブバンド s a,s b,s c の座標 (x, y) における変換係数である. 次に, 変換係数ベクトル w xy を (1) 式のように定義し, 得られる変換係数ベクトルの出現頻度を求めることによって,3 次元変換係数ヒストグラムが作成される. 138

145 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ポストドクター研究成果報告書 x, y, s x, y, s x y w xy sa b c, (1) (a) 3 次元ヒストグラムの分割パターン (b) 埋め込みビンの設定 (c) ヒストグラムシフト (d) 透かし埋め込み 図 1 変換係数ペアの変更規則 (e = 2, n = 2) 次に,3 次元ヒストグラムを利用した透かし埋め込み処理について説明する. 提案手法では, 図 1(a) のように,8 つの領域を定義し, 情報埋め込みは領域ごとに行う. 各領域には同様の埋め込み処理が施されるため, 以下では領域 1 に対象を絞って説明する. まず, 図 1(b) のように,e e e 個のヒストグラムビンを埋め込みビンとして設定する. ここで, 赤の立方体が埋め込みビンを表す. 次に, 埋め込みビンの周辺に頻度が 0 のビン ( ゼロビン ) を作成するため, 図 1(c) のように埋め込みビンの s a(x, y),s b(x, y),s c(x, y) を n 倍する. ここで, 黄色の立方体がゼロビンであり, 黒の実線矢印は埋め込みビンの変更方向を示す. 一方で, 埋め込みビン以外のビン ( シフトビン ) は,s a(x, y),s b(x, y),s c(x, y) のどれか 1 つをシフトする. これは, 透かし埋め込み処理の可逆性を保つためである. 図 1(c) において, 青の立方体は s a(x, y), 橙色は s b(x, y), 緑は s c(x, y) の各方向にそれぞれシフトする. また, 黒の点線矢印はシフトビンの変更方向と変更距離を表す. 最後に, 図 1(d) のように, 埋め込みビンに属する変換係数ベクトルを, 埋め込む情報に応じて各埋め込みビンの周辺に作成したゼロビンへ移動することで情報が埋め込まれる. 図 1(d) において, 青矢印は, 埋め込みビンとその移動先となるゼロビンを指している. 図 1(d) の場合,1 つの埋め込みビンの周辺には 7 つのゼロビンが作成されている. ゼロビンへ移動しないパターンを含めれば, 変換係数ベクトルの移動パターンは 8 種類である. それゆえ, 埋め込みビンに属する 1 つ変換係数ベクトルに対する埋め込み容量は,log 2 8 = 3 bit となる. 139

146 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ポストドクター研究成果報告書 3. 実験 (a) airplane (b) barbara (c) lake (d) lena 図 2 使用画像 ( pixel, 8 bpp) 図 2 に示す画像を使用し, 提案手法と従来の RW 5),6),8) について, 埋め込み容量と透かし入り画像の画質の関係の評価実験を行った. 本実験では, 一様分布に基づくランダムビット列を秘密情報として用い, ウェーブレット変換には可逆な 5/3 フィルタを用いた.Peak Signal-to-Noise Ratio (PSNR) と埋め込み容量を評価尺度として測定し, 埋め込み容量と PSNR の関係 (capacity-distortion: CD 特性 ) から, 各 RW の性能を評価する. なお, 透かし埋め込み処理による画素値のオーバーフロー ( アンダーフロー ) は発生しない範囲で実験を行った. 4. 結果と考察 PSNR[dB] Proposed Previous method Ou et al. Jinna et al. PSNR[dB] Proposed Previous method Ou et al. Jinna et al Embedding capacity[bit] Embedding capacity[bit] 10 3 (a) airplane (b) barbara PSNR[dB] Proposed Previous method Ou et al. Jinna et al. PSNR[dB] Proposed Previous method Ou et al. Jinna et al Embedding capacity[bit] Embedding capacity[bit] (c) lake (d) lena 図 3 CD 特性実験結果として, 図 3 に CD 特性を示す. 図 3 から, 提案手法の性能は, 埋め込み容量が小さ 140

147 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ポストドクター研究成果報告書 8) 5) い場合には, 先行研究による手法や Ou らの手法の性能を下回る結果となった. 一方で, 埋め込み容量が大きいほど, 提案手法の性能は, 他の手法と比較して上回ることが確認できる. また, 最大埋め込み可能容量は, 提案手法が最も大きいことも確認できる. 以上の結果から, 埋め込み容量が大きい場合には提案手法により効率的な透かし埋め込みが可能であるが, 小さい場合には他の方式との切り替えも考慮する必要がある. 今後, 埋め込み容量が小さい場合でも効率的な透かし埋め込みを可能とするために, 変換係数ベクトルの変更規則の改善が必要である. 5. 結言本稿では,3 つのサブバンド間の関係を考慮した RW 手法として,3 次元ヒストグラムを用いた RW を提案した. 実験結果から, 提案手法の性能は, 埋め込み容量が大きい場合は高く, 埋め込み容量が小さい場合は, 従来手法を下回ることが明らかとなった. それゆえ, 埋め込む秘密情報量が大きい場合に, 提案手法による透かし埋め込み処理は適していると考えられる. 今後の課題としては, 埋め込み容量の小さい場合でも効率的な透かし埋め込み処理を実現するために, 変換係数ベクトルの変更規則の改善が挙げられる. また,RW の可逆性を維持するために, オーバーフロー ( アンダーフロー ) を防ぐための対策が必要である. 本研究の一連の成果は文献 7), 8) にて報告を行った. また, 今後, マルチメディア情報ハイディング エンリッチメント研究会および IEEE ICIP 2015 にて発表する予定である. 参考文献 1)R. Caldelli, F. Filippini, and R. Becarelli, Reversible watermarking techniques: an overview and a classification, EURASIP J. Inf. Secur., vol.2010, no , Jan )J. Fridrich, M. Goljan, and R. Du, Lossless data embedding-new paradigm in digital watermarking, EURASIP J. Appl. Signal Processing, vol.2002, no. 2, pp , Feb )S. Han, M. Fujiyoshi, and H. Kiya, A reversible image authentication method without memorization of hiding parameters, IEICE Trans. Fundamentals, vol.e92-a, no.10, pp , Oct )T. Yoshida, T. Suzuki, and M. Ikehara, Adaptive reversible data hiding via integer-to-integer subband transform and adaptive generalized difference expansion method, IEICE Trans. Fundamentals, vol.e97-a, no.1, pp , Jan ) B. Ou, X. Li, Y. Zhao, R. Ni, and Y. Q. Shi, Pairwise prediction-error expansion for efficient reversible data hiding, IEEE Trans. Image Process., vol.22, no.12, pp , Dec ) S. K. Jinna and L. Ganesan, Reversible image data hiding using lifting wavelet transform and histogram shifting, IJCSIS, vol.7, no.3, pp , Mar ) K. Yamato, K. Shinoda, M. Hasegawa, and S. Kato, Reversible data hiding based on two-dimensional histogram and generalized histogram shifting, in Proc. IEEE ICIP, pp , Oct ) K. Yamato, K. Shinoda, M. Hasegawa, and S. Kato, Two-dimensional histogram expansion of wavelet coefficient for reversible data hiding, in Proc. IEEE VCIP, pp , Dec

148 平成 26 年度海外派遣若手研究者報告書 3.3 中赤外レーザーによる非侵襲生体細胞観測システムの開発 宮崎孝基 (D1) *1 Takanori Miyazaki (D1) *1 入江晃亘 ( 教授 ) *2, 東口武史 ( 准教授 ) *3, Akinobu Irie (Professor) *2,Takeshi Higashiguchi (Associate Professor) *3 *1 宇都宮大学大学院工学研究科システム創成工学専攻 *2 宇都宮大学大学院工学研究科電気電子システム工学専攻 *3 宇都宮大学大学院工学研究科学際先端システム学専攻 1. はじめに水の中の生きたままの生体細胞をシングルショット撮影できる卓上型水の窓軟 X 線 ( 波長 nm) 顕微鏡の実現を目標として, 中赤外レーザーを用いるレーザー生成重元素多価イオンプラズマ高輝度光源を開発している. 重元素プラズマ光源の高輝度化のためには,UTA (unresolved transition array) スペクトル構造を最適化する必要があり, 光源の放射過程を明らかにする必要がある. そこで, スペクトル解析の権威であるアイルランド国立大学ダブリン校 (University College Dublin: UCD) の Gerry O Sullivan 教授と Padraig Dunne 准教授の研究室 (Speclab) に滞在し, 研究動向の調査と実験データの解析を行うことにした. 滞在期間は,11 月 2 日から 1 月 29 日の約 3 ヶ月間であり, 滞在中に開催された国際会議にも参加し, 水の窓軟 X 線光源における最新の研究動向を調べてきた. 2. 重元素多価イオンからの UTA 放射レーザー生成重元素プラズマからの水の窓軟 X 線スペクトルを計測し,Cowan code を用いてスペクトル構造を数値解析した. プラズマの生成に用いたレーザーは, 波長が 1064 nm で, パルス幅が 150 ps と 10 ns (FWHM) の Nd:YAG レーザーである. 集光距離 300 mm の平凸レンズを用いて, 集光径 30 m (FWHM) に集光した. 平板金属ターゲットの垂直方向から, W/cm 2 および W/cm 2 のレーザー強度で照射した. 生成されるプラズマからの放射光は, ターゲットの法線方向に対し 30 の角度で配置した斜入射分光器 ( 不等間隔回折格子 : 2400 grooves/mm) により分光し, 背面照射型 X 線 CCD カメラ (2048 pixel 2048 pixel) により時間積分スペクトルを記録した. 計測されたスペクトルは,X 線 CCD カメラの量子効率と回折格子の回折効率で補正した. 数値計算に用いた Cowan code は, 米国のロスアラモス研究所の Robert Cowan 氏が作成した ga 値を計算する FORTAN プログラムであり,Speclab では主にこの Cowan code と FAC (Flexible atomic code) を用いてスペクトルの解析を行っている [1]. ここで,g は統計的重み, A は自然放出係数である. 142

149 図 1 は, 原子番号が 40 番前後の 40 Zr, 42 Mo と, 原子番号 80 番前後の 79 Au, 82 Pb, 83 Bi における水の窓軟 X 線領域の時間積分スペクトルである. 40 Zr, 42 Mo の多価イオンからは, nm 付近にピークを持つ n = 3 n = 4 遷移からの放射が観測され, 79 Au, 82 Pb, 83 Bi の多価イオンからは, nm 付近にピークを持つ n = 4 n = 4 遷移からの放射と, nm 付近にピークを持つ n = 4 n = 5 遷移からの放射による UTA スペクトルが計測された. また, 4.4 nm 近傍のへこんだ (dip) スペクトル構造は, 回折格子表面に付着した不純物の炭素による吸収に起因しており,5 種の元素全てに同じスペクトル構造が観測された Zr Mo Intensity (arb. units) Au Pb Bi Wavelength (nm) 図 1:40Zr,42Mo,79Au,82Pb,83Bi 多価イオンからの時間積分スペクトル 水の窓軟 X 線光源に適したミラーの候補は,Cr/Sc 多層膜鏡である [2].Cr/Sc 多層膜鏡は積層回数および膜厚を変えることによって, ピーク反射率の波長を 3.1 nm から 5 nm に変化させることができる. しかしながら, 短波長の多層膜鏡の帯域幅は狭帯域であることから, 光源の放射スペクトルのピーク波長が多層膜鏡のピーク反射率の波長とわずかにずれただけで, 伝送効率は低下する. 143

150 重元素多価イオンの UTA スペクトルのピーク波長はレーザー強度と共に偏移することは容易に予想できる. そこで,UTA 光源と多層膜鏡の適合性を評価するため,n = 4 n = 4 遷移と n = 4 n = 5 遷移の UTA のピーク波長のレーザー強度依存性を調べた. 図 2 に示すように,n = 4 n = 4 遷移の UTA ピーク波長はレーザー強度に依らず一定であった. また,n = 4 n = 5 遷移の UTA ピーク波長もこのレーザー強度の範囲内ではほとんど変化しなかった. このことに加えて,n = 4 n = 5 遷移の UTA の放射強度よりも n = 4 n = 4 遷移の UTA の放射強度は 3 ~ 4 倍大きいことから, 波長可変性および放射強度の点で n = 4 n = 4 遷移の UTA 放射が光源に適しているものと考えている. 700 n=4-n=4 n=4-n=5 n=4-n=4 n=4-n=5 n=4-n=4 n=4-n= (a) (b) (c) Photon energy (ev) Photon energy (ev) Photon energy (ev) Laser Intensity (W/cm 2 ) Laser Intensity (W/cm 2 ) Laser Intensity (W/cm 2 ) 図 2:(a) 79Au, (b) 82Pb, (c) 83Bi の n = 4-n = 4 遷移と n = 4-n = 5 遷移の UTA のピーク光子 エネルギーのレーザー強度依存性 図 3 は各種元素多価イオンから放射される水の窓軟 X 線出力のレーザー強度依存性である. 水の窓軟 X 線出力は, nm の波長範囲におけるスペクトルの波長積分に対応する. レーザーの強度が同程度のとき, 40 Zr や 42 Mo の出力は, 79 Au, 82 Pb, 83 Bi よりも強く, レーザー強度を変えた場合も同様の傾向であった. 図 3: 水の窓軟 X 線出力のレーザー強度依存性 144

151 40 Zr プラズマは,12 価程度のイオンより水の窓領域の発光であると報告されており, 実験 室サイズの顕微鏡用光源の材料として期待されている [3]. そこで, 40 Zr のスペクトル解析 を行った. 12 (a) (b) 図 4:Zr の水の窓軟 X 線スペクトル,(a) 実験結果,(b) Cowan code による各価数での ga 値の計算結果 図 4(a) は観測された Zr 多価イオンプラズマからの放射の時間積分スペクトルである. また, 図 4(b) は Cowan code により評価された各価数における ga 値である. 波長が nm のスペクトル構造は,11 21 価のイオンにおける 3d 4p 遷移と 3d 4f 遷移による放射であることが確認できた. 大まかには,gA 値を評価することにより, スペクトル構造を説明できる. 3.UCD における重元素プラズマ解析の研究動向滞在先の Speclab では, 波長が数 nm の軟 X 線から数 100 nm の真空紫外線の波長域において,Cowan code を用いた数値計算とレーザー生成プラズマ実験における分光結果を比較検討する方法で研究を進めている. 現在の Speclab における水の窓軟 X 線光源の研究は, 博士課程学生の Elaine Long 氏を中心に行われている. 原子番号が 番の間にある 16 種の元素について, パルス幅が 8 ns (FWHM) の Nd:YAG レーザーの基本波を金属ターゲットに集光照射してプラズマを生成し,2 9 nm の波長域の分光計測を行っている. その結果, 水の窓領域の発光は, 31 Ga から 46 Pd の間の元素からも得られることが確認されている [4]. また, 派遣者とは入れ替わりで帰国した Speclab の共同研究者でチェコ工科大学の Ragava Lokasani 氏は, 42Mo から 46 Pd について Cowan code による数値解析を行い, 42 Mo の 価, 46 Pd の 価の多価イオンにおける 3d 4p 遷移と 3d 4f 遷移による放射であることを調べている [5]. 145

152 4. 国際会議で得た最新の水の窓軟 X 線研究の動向 UCD の滞在期間中, 同大学内で 11 月 3 日から 11 月 6 日の日程で開催された 2014 International workshop on EUV and Soft X-Ray Sources に参加し, ポスター発表を行った. この会議は,UCD の Speclab が主催する会議であり, 世界 12 カ国の軟 X 線分野の研究者や企業関係者が集まる国際会議である. セッションは波長域別に分けられ, 半導体リソグラフィー用波長 13.5 nm, 次世代リソグラフィー用光源波長 6.x nm, 水の窓顕微鏡用波長 nm の各波長域において研究報告された. 水の窓軟 X 線に関する発表は, 全 55 件中に対して 7 件であり少なかった. 水の窓軟 X 線の講演では, チェコ工科大学の 5 価の 7 N イオンにおける 2.88 nm の輝線放射を使った光源サイズが 280 m (FWHM) である窒素ガスキャピラリー放電の講演や, フィンランドの放射光とゾーンプレートを用いた直径 10 m のウイルスの軟 X 線トモグラフィー撮影の講演は, 派遣者らが目指す顕微鏡の対比となる指標を得る講演であった. また, 水の窓軟 X 線の集光ミラーの情報もあり,Cr/Sc の多層膜鏡の反射率が波長 3.12 nm で 32% であることを知ることができた. 5. まとめアイルランド国立大学ダブリン校に約 3 ヶ月間滞在し, 現地における研究動向の調査と, Cowan code によるデータ解析を行った.Speclab では, 原子番号 40 番前後の元素について水の窓軟 X 線が放射される可能性について話し合い, 約 価程度のイオンからの 3d 4p 遷移と 3d 4f 遷移からの放射に注目することにより, 高輝度の水の窓軟 X 線光源を実現するための指針を得た. 国際会議では, レーザー方式以外の光源開発の情報も得ることができた. また, ポスドク, 同世代の学生同士と毎日議論しながらの研究の進め方や, 指導教員との議論, 英語を母国語としない多国籍の友人との交流は, 派遣者自身にとって多大な刺激を得る渡航となった. 異国の地で交遊の輪を築き上げることができたのが最大の収穫である. 今後は, 本滞在で得た交友関係を大切にしつつ, 研究を行っていくつもりである. 謝辞本渡航は, 宇都宮大学地域共生研究開発センターによるご支援のもと, 東口武史先生, 入江晃亘先生,CDI 管理室, 受け入れ先である UCD の Gerry O Sullivan 教授,Padraig Dunne 准教授の多大なご支援のもとに行われました. この場をお借りし, 厚く御礼申し上げます. また,Padraig Dunne 准教授においては, ご厚意より国際会議に参加させて頂きました事も付せて深く感謝申し上げます. 参考文献 [1] D. Kilbane and G. O Sullivan, J. Appl. Phys. 108, (2010). [2] K. Sakano and M. Yamamoto, Proc. SPIE 3767, 238 (1999). [3] B. Li et al., Appl. Phys. Lett. 102, (2013). [4] E. Long et al., International Workshop on EUV and Soft X-ray Sources, S49 (2014). [5] R. Lokasani et al., International Workshop on EUV and Soft X-ray Sources, S50 (2014). 146

153 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 3.4 生体細胞観察用水の窓軟 X 線顕微鏡の実現 宮崎孝基 (D1) Takanori Miyazaki(D1) 宇都宮大学大学院工学研究科システム創成工学専攻 ( 指導教員 ) 入江晃亘 ( 教授 )( 東口武史 ( 准教授 )) Akinobu Irie (Professor) (Takeshi Higashiguchi (Associate Professor)) 宇都宮大学大学院工学研究科学際先端システム学専攻 1. はじめに高強度レーザーを用いて重元素多価イオンを生成することにより, 波長域が nm の効率の良い水の窓軟 X 線光源を開発し, 生体細胞をフラッシュ撮影できる卓上 X 線顕微鏡を実現することを目的としている. このためには, 原子番号が 40 番近傍 (mid-z) や 80 番近傍 (High-Z) の多価イオンからの UTA (unresolved transition array) スペクトル構造を最適化することが重要である. ここでは, 各種元素の多価イオンからの水の窓軟 X 線スペクトルや出力の比較および 40 Zr のスペクトル構造の数値解析結果について示すことにする. 2. 実験結果および数値解析結果重元素多価イオンからの放射スペクトルを観測し, 波長域が nm の出力を比較することにした. 図 1 は mid-z の 40 Zr および high-z の 83 Bi の時間積分水の窓軟 X 線スペクトルである. これらのスペクトルは, 平板ターゲットに, パルス幅が 150 ps (FWHM) の Nd:YAG レーザーの基本波を集光照射することにより生成される多価イオンからの放射である. この放射を 2400 grooves/mm の不等間隔回折格子による斜入射分光器により分光した. スペクトルは背面照射型 X 線 CCD カメラ (2048 pixel 2048 pixel) により記録した. 40 Zr 多価イオンからは主に n = 3 n = 4 ( n = 1), 83 Bi 多価イオンからは主に n = 4 n = 4 ( n = 0) からの UTA スペクトル構造を観測することができた. 図 1.(a) ジルコニウム,(b) ビスマス多価イオンからの時間積分水の窓軟 X 線スペクトル 147

154 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 図 2 は各種元素多価イオンから放射される水の窓軟 X 線出力のレーザー強度依存性である. 水の窓軟 X 線出力は, nm の波長範囲のスペクトルの波長積分は出力に対応する. レーザー強度が同程度のときは, 40 Zr や 42 Mo の出力が 82 Pb や 83 Bi よりも強い放射が得られ, レーザー強度を変えた場合も同様の傾向を示した. 図 3 は, 実験により得られた 40 Zr の水の窓軟 X 線スペクトルと数値解析との比較である. ここに示した実験結果は, パルス幅が 150 ps と 10 ns( いずれも FWHM) の Nd:YAG レーザーを集光照射した際に得られた時間積分スペクトルである. これらのレーザー強度は 2 桁異なっており, パルス幅が 150 ps のときの方がレーザー強度も大きく, これに対応する電子温度も高いことから, 多価イオンの価数はこのときのほうが高いことが予想されるが,2.8 nm よりも長波長ではスペクトル構造は変化しなかった. 一方,2.8 nm よりも短波長では, 相対的なスペクトル強度は 10 ns のそれよりも増加した.2.5nm よりも長波長のスペクトル構造を評価するために, 原子コードのひとつである Cowan コードを用いて,gA 値を価数別に計算したものである. ここで,g は統計的重み ( エネルギーレベルの縮退度 ),A は自然放出寿命 ( 遷移確率 ) である. 波長領域が nm のスペクトル構造は,11 21 価のイオンからの 3d 4p および 3d 4f 遷移による放射である. 大まかには ga 値を評価することにより, スペクトル構造を説明できることがわかった. 図 2. 軟 X 線出力のレーザー強度依存性 図 3.Zr の軟 X 線スペクトルと数値解析との比較 3. 結言各種元素の多価イオンからの水の窓軟 X 線スペクトルを観測し, 各種元素からの水の窓軟 X 線出力を比較した. その結果, 40 Zr や 42 Mo の出力が 82 Pb や 83 Bi よりも 1.6 倍大きいことが分かった. また, 原子コードの一つである Cowan コードを用いて,gA 値を評価することにより,Zr のスペクトル構造を解析した. 148

155 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 コンクリートの初期材齢における湿潤養生条件が中性化進行性に及ぼす影響 李暁赫 (D2) Xiaohe LI(D2) 宇都宮大学大学院工学研究科システム創成工学専攻 ( 指導教員 ) 杉山央 ( 教授 ) Hisashi SUGIYAMA (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科地球環境デザイン学専攻 1. 緒言耐久性の高い鉄筋コンクリート造建築物を構築するためには, コンクリート打ち込み後, 十分な湿 潤養生を行う必要がある 図 1 に示すように, 早期に型枠を解体すると, すなわち早期に湿潤養生を終了するとコンクリートから水分が逸散し, セメントの水和反応に必要な水分が確保されなくなり, コンクリートの表面がポーラス状になる その結果, コンクリートの中性化進行が早くなり, 建築物の耐久性に影響を及ぼす 本研究ではコンクリートの湿潤養生期間が中性化進行性に及ぼす影響を実験により明らかにすることを目的とした 工事開始 ( コンクリートの打込み ) 型枠 数日後 ( 脱型作業 ) 表面 数週後 ( 工事完了 ) ポーラス状 数年 ~ 数十年後 ( 中性化深さが鉄筋に到達, 水分や空気の浸透で鉄筋が発錆 ) 鉄筋 水分 水分 錆 湿潤養生期間 CO₂ 空気 ひび割れ フレッシュコンクリート 脱型 ( 型枠の解体 ) 硬化したコンクリート (PH>10) 中性化部分 (PH<10) 図 1 湿潤養生が建築の耐久性に及ぼす影響の概念図 2. 実験 表 1 実験因子と水準 表 1 に要因と水準を示す 普通ポルトランドセメント因セメント水セメント比養生温度を使用したコンクリートについては, 水セメント比を子種類 (%) 25,33.3,40 および 55% の 4 水準を設定した 普通ポル普通 (N) 25,40,55 水 20 一定トランドセメントを使用したコンクリートと比較する早強 (H) 40 準加熱養生中庸熱 (M) 40 ため, 早強および中庸熱ポルトランドセメントを使用し た水セメント比 40% のコンクリートも取り上げた 湿潤養生終 表 2 試験項目および試験材齢 了材齢から材齢 28 日まで, 温度 20, 相対湿度 50%, 風速 1m/s 以下の気中養生を行った その後,CO 2 濃度 5% の環境で 26 週間の促進中性化を行った さらに, 中性化した供試体から試料を採取し,X 線回折分析を行って中性化によるセメント化合物の変化を調査した なお, 本研究では厚さ 200mm の壁 試験項目圧縮強度水分逸散率 X 線回折分析 試験材齢材齢 30 週 部材を想定し,Φ mm の円柱供試体を用いて, 表 2 に示す試験を所定材齢にて行った 湿潤養生期間 ( 日 ) 0.5,1,3,7 湿潤養生終了材齢湿潤養生後から材齢 28 日まで 3. 結果と考察図 2 に 20 養生および加熱養生における湿潤養生終了時強度と促進中性化深さの関係を示す 既往 149

156 平成26年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 35 促進中性化深さ(mm) 加熱養生 20 養生 30 c = 40e 0.078Fm R² = c = 93e 0.105Fm R² = 文献値 図 湿潤養生終了時強度 N/mm 湿潤養生終了時強度と促進中性化深さの関係 35 N25 促進中性化深さ mm 30 S養生 20 養生 N25 N40 20 H養生 加熱養生 N40 N55 N55 25 N55 N55 H40 H40 M40 M40 15 N25 N40 10 H40 M40 5 M40 N25 N40 H 図 水分逸散率 % 水分逸散率と促進中性化深さの関係 Ca(OH)2 N 日間湿潤養生 中心部 表面部 N25 7 日間湿潤養生 加熱養生 加熱養生 回折強度比 の研究 1)と同様に 湿潤養生終了時強度が大 きいほど促進中性化深さが小さくなる傾向 が認められる 図 3 に 20 養生および加熱養生における 水分逸散率と促進中性化深さの関係を示す 水分逸散率が大きいほど促進中性化深さが 大きくなる 水分逸散率が促進中性化深さに 及ぼす影響を養生温度別に比較すると コン クリートの調合によって異なるが おおむね 20 養生よりも加熱養生の方が水分逸散率 の影響が大きい 図 4 に 2θ=17 20(deg)の X 線回折分析の 結果を示す N25 および N55 では中心部から 2θ=18.0(deg)のピークが認められる これ は Ca(OH)2 によるものである 20 養生およ び加熱養生に共通して 水セメントが高い方 が また湿潤養生期間が長い方が 供試体中 心部における Ca(OH)2 の回折強度比が強い 表面部の Ca(OH)2 については N 日 間湿潤養生 では 20 養生および加熱養生 に共通して ピークが認められない N25 7 日間湿潤養生 では 20 養生および加熱養 生に共通して 中心部の Ca(OH)2 と同等の回 折強度比であった すなわち 湿潤養生 0.5 日間の場合 水セメント比 25%のコンクリー トの表面における Ca(OH)2 が中性化反応によ って消費された N 日間湿潤養生 で は 20 養生および加熱養生に共通して Ca(OH)2 のピークが認められない N55 7 日 間 湿 潤 養 生 で は 20 養 生 の も の か ら Ca(OH)2 のピークが認められる 20 養生 N 日間湿潤養生 20 養生 N55 7 日間湿潤養生 加熱養生 加熱養生 4 結言 本研究では以下の結果を得た 1) コンクリートの中性化深さに及ぼす湿 潤養生の影響を表すパタメータとして 20 養生 水分逸散率が有用である 水分逸散率が 20 養生 大きいほどコンクリートの促進中性化 深さが大きい 2θ deg 図 4 X 線回析分析結果 2θ=17 20deg 2) 湿潤養生期間が短いほど コンクリート の表面部における水和反応が停滞して Ca(OH)2 の生成量が少なくなり さらにそれらの多くが CaCO3 に変化するため 促進中性化深さが大きくなる 参考文献 1 和泉意登志 他 7 名 せき板の存置期間および湿潤養生が構造体コンクリートの品質に及ぼす影響に関する研究 日本建 築学会構造系論文報告集 第 449 号 pp

157 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 Preparation of well-ordered monolayer of 9-alkoxy-11-oxa[9]helicenes and its application in solar cell as a electron donor ミアエムデージャリル (D2) Miah Md Jalil(D2) 宇都宮大学大学院工学研究科システム創成工学専攻 ( 指導教員 ) 飯村兼一 ( 准教授 ) Ken-ichi Iimura (Associate Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科学際先端システム学専攻 1. Introduction: In order to meet the energy demand from renewable energy sources, scientists are quest for developing such devices which utilize the direct solar energy. So far, solar cells are one of the most effective candidates for this purpose. A lot of solar cells based on inorganic, organics, and polymer photovoltaic cell have been developed. But still the scientists are trying to find cost effective and high efficient solar cell by utilizing various types of organic and polymer compounds. In this respect, I have tried to use highly -conjugated aromatic compound, oxa[9]helicene (AOH) derivatives to prepared organic photovoltaic cells and explored their photoelectrochemical properties. 2. Experimental: AOH was first spread at the water-air interface in Langmuir trough at 24 C. The resultant monolayer was compressed at a rate of 10 mm/min, and deposited on silicon wafer or FTO coated glass at surface pressure of 5 mn/m. The monolayer was then characterized by spectroscopic methods. In another experiment, only AOH and blends of AOH and fullerene (C60)-AEE (2-[2-(2-aminoethoxy)ethoxy]ethanol) was spin coated on FTO coated glass substrates to obtained thicker layer of AOH and donor-acceptor combination. The photoelectrochemical properties of AOH films were evaluated by conventional cyclic voltammetry, where AOH-coated FTO substrate as working electrode, Ag/Ag + (AgNO 3 ) as reference electrode, Pt as counter electrode, and the tetrabutylammonium hexafluorophosphate in acetonitrile as electrolyte solution. Ferrocene was used for correction of potential of Ag/Ag +. The photocurrent response were also measured using three electrode systems using Na 2 SO 4, KH 2 PO 4 (ph = 7.0) as electrolyte solution. 3. Results and discussion: A -A isotherm (Fig.1a) showed the molecular area of AOH is Å 2. This area is smaller as compared to the literature values for other helicene derivatives (90 Å 2 / molec.), which contain multiple side chains larger than that of AOH and orient in an edge-to-edge manner 1). The smaller molecular area of AOH indicates that in the monolayer the AOH molecules would arrange themselves in a face-to-face manner rather than edges on, and at the same time the hydrophilic side chains might be folded and interdigitated with twisted core. BAM images showed that the monolayer was homogeneous (Fig.1b), which is also confirmed by AFM images (Fig.1c) taken in the dynamic force mode. The thickness and roughness of the monolayer was determined by X-ray reflectivity measurement which Fig.1 (a) A -A isotherm of AOH measured at 10 mm/min, 24 C. (b) A BAM and (c) an AFM image of AOH monolayer deposited at 5 mn/m. 151

158 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 showed that the total thickness of the monolayer film deposited at surface pressure of 5 mn/m is about (19.25±0.30) Å and the roughness is about (4.00±0.10) Å. The electrochemical properties of the monolayer of AOH were measured by using cyclic voltrammetry and UV-visible spectra. According to Bredas et al 2) and onset of oxidation and reduction of AOH in the voltammogram (Fig.2a), the HUMO and LUMO energies are calculated as E HOMO = -(E oxi -E 1/2(ferrocene) + 4.8) ev = ev (1) E LUMO = -(E red -E 1/2(ferrocene) + 4.8) ev = ev (2) Hence the band gap is 2.80 ev, which is comparable with the optical bandgap (2.81 ev) obtained from the UV-visible spectra (inset of Fig. 2a) determined by optical band gap, E opt = 1240/λ abs onset 3). Finally the photovoltaic response of AOH films was measured by using conventional three electrode system. It was found that the monolayer of AOH generated a considerable amount of photocurrent under illumination of UV-light ( nm range) as well as white light sources. For the monolayer, the photocurrent is about 0.3 A. The photocurrent increase with the increase of thickness of monolayer as shown in Fig. 2(b), but the magnitude of photocurrent is not proportionally increase with the thickness. This may be due to the increase of active layer, the photon absorption increase, thus photocurrent increases. But with the increase of active organic layer the drift speed of electron decrease and hence the photocurrent is not proportionally increase. This dependency with active layer thickness strongly suggests that the system is limited by the transport of carriers through the bulk of the active layer. In the case of blend of AOH with C60-AEE, it was found that photocurrent is not enhanced Fig. 2(c), which indicates that C60-AEE is not a potential acceptor for AOH. 4 Conclusion: Monolayer of oxa[9]helicene was prepared using LB technique and characterized by spectroscopic methods. The photo-chemical measurements signify the monolayer of oxa[9]helicene yields a substantial extent of photocurrent under illumination of UV-visible ( nm) and white light sources, these results reveal the use of oxa[9]helicene as semiconducting materials in organic photovoltaic cell. (a) (b) (c) Fig.2 (a) A cyclic voltammogram of AOH taken in 0.1M Bu 4 NPF 6 in acetonitrile solution, inset shows the UV-visible spectra of AOH. Photocurrent response of (b) AOH films with different thickness and (c) blends of AOH with C60-AEE complex on FTO coated glass substrates. Acknowledgement: We are very grateful to the Ministry of Education, Culture, Sports, Science, and Technology (MEXT) of the Japanese Government, and Creative Department for Innovation, Soft-Material Group, and Organic Polymer Group, Utsunomiya University, Japan. References: 1. Nuckolls, C.; Katz, J.; Verbiest, T.; Elshocht, S. V.; Kuball, H. G.; Kiesewalter, S.; Lovinger, A. J.; Persoons, A.; J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, Ahmida, M. M.; Eichborn, S. H.; ECS Transactions 2010, 25, Bredas, J. L., Silbey, R., Boudreux, D. S., Chance, R. R.; J. Am. Chem. Soc. 1983, 105,

159 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 Proteomic analysis of extracellular cellulases from a white-rot fungus Porodaedalea pini Sunardi (D2) United Graduate School of Agricultural Science, Tokyo University of Agriculture and Technology Shinso YOKOTA Department of Forest Science, Faculty of Agriculture, Utsunomiya University 1. Introduction The limited petroleum reserves, increasing energy demands, and global warming have directed the development of sustainable and clean energy sources to meet future demans. The plant biomass composed of cellulose, hemicelluloses, and lignin is virtually inexhaustible and the most abundant renewable carbon resources. It is also the most promising feedstock for the production of clean bioenergy and organic chemicals. Bacteria and fungi secrete cellulolytic enzymes degrading cellulose and hemicelluloses, while highly recalcitrant lignin is depolymerized predominantly by white rot basidiomycetes, such as Porodaedalea pini (Szewczyk et al. 2014, Seki et al. 2011). Enzyme production is still the most crucial and costly steps in the process of biomass conversion to soluble sugars. P. pini efficiently depolymerizes, degrades, and mineralizes all components of plant cell wall. Therefore, exploring its secretome by a highly sensitive proteomic technique will elucidate the inventory of potential lignocellulolytic enzymes and unravel lignocellulolytic mechanisms. The objective of this study is to clarity the biochemical conditions for differentially secreted cellulases when a white-rot fungus P. pini is grown in modified Norkrans liquid medium. 2. Theory Proteomics is an excellent tool in profiling, discovering, and identifying proteins produced in response to a particular environment (Aebersold & Mann 2003). Two-dimensional electrophoresis (2-DE) has been utilized for proteome profiling even though it suffers from certain limitations such as limited dynamic range and inability to efficiently detect certain classes of proteins (Gorg et al. 2005). In 2-DE, the proteins are separated (in the first dimension during IEF) according to their pi values (the point at which their charge is the same as the surrounding ph) and (in the second dimension by SDS-PAGE) by their molecular values. Protein spots which resulted on the gel can be identified by comparing the mass spectrometric peptide maps with those theoretically calculated in a database (Penque 2009). 3. Experiments In this study, to ascertain the diversity and regulation of cellulolytic and lignolytic enzymes secreted by a white-rot fungus P. pini (Brot.) Murril, a proteomic approach was applied to investigate the secretome of this fungus. The enzyme samples were prepared from the culture solution containing modified Norkrans liquid medium from 0 to 32 days. Culture solution was collected from each flask culture every four days, filtered through Miracloth, centrifuged, concentrated, and dialysed against buffer (ph 5.5) at 7 ºC overnight. The obtained solution was subjected to two-dimensional electrophoresis (2-DE): isoelectric focusing using IPG and then sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis. After the 2-DE, the gel was stained with Coomassive Brilliant Blue. The specific protein 153

160 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 spots were excised from the stained-gel, the gel pieces were destained, and they were in-gel-digested by trypsin. The obtained peptide samples were analyzed by matrix-assisted laser desorption/ionization/time-of-flight mass spectrometry (MALDI/TOF/MS), and the obtained data were applied to database search with MASCOT to identify the corresponding proteins. 4. Results and discussion Based on the 2-DE gels in the first dimension, there was a significant difference in the spot expression level for 0 day and 28 days cultivation time. The number of separated protein spots was 426 and 446 at the 0 day and 28 th day of cultivation, repectively. In order to identify the proteins secreted by P. pini cultured in modified Norkrans medium, 2-DE analysis followed by MALDI/TOF/MS and peptide mass fingerprinting with MASCOT software were carried out. Of these, 10 protein spots which have different expression level at 0 day and 28 th days of cultivation time were successfully identified. These proteins are considered to be involved in the regulation of β-glucosidase biosynthesis during folding and secretion of the enzyme. 5. Conclusion The current work describes the composition of proteomes of P. pini growing on modified Norkrans medium for the first time. We have identified a number of proteins on 2-DE gels, leading to effective production of highly active β-glucosidase in the future. Acknowledgments We gratefully acknowledge Ayana Nakamura for assistance in two-dimensional electrophoresis and MALDI/TOF/MS sample preparation. References Aebersold R, Mann M (2003). Mass spectrometry-based proteomics. Nature 422 (6928): Gorg A. Weiss W, Dunn M. J (2004). Current two-dimensional electrophoresis technology for proteomics. Proteomics 4 (12): Penque D (2009). Two-dimensional gel electrophoresis and mass spectrometry for biomarker discovery. Proteomics Clin. Appl. 3: Seki N, Sato Y, Takashima Y, Ishiguri F, Iizuka K, Yoshizawa N, Yokota S (2011). Extracellular cellulase production from a white-rot fungus Porodaedalea pini. Proceedings of the 7th international conference on mushroom biology and mushroom products (icmbmp7) Szewczyk W, Kwasna H, Borowczyk JB, Wasilewska, MB (2014). Phylogenetic relationships among Porodaedalea pini from Poland and realted Porodaedalea species. Cent. Eur. J. Biol. 9(6):

161 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 Evaluation of chemical and pulp properties in three native fast-growing species from a secondary forest in South Kalimantan, Indonesia Wiwin Tyas Istikowati (D3) United Graduate School of Agricultural Science, Tokyo University of Agriculture and Technology Shinso YOKOTA Department of Forest Science, Faculty of Agriculture, Utsunomiya University 1. Introduction Pulp and paper industry in Indonesia has expanded rapidly and became one of the top 10 producers in the world. Wood is widely used as a raw material for pulp and paper production in Indonesia. Therefore, fastgrowing tree species is playing an important role to supply raw materials for the industry. However, the use of the common raw material of pulpwood, such as Acacia mangium, Falcataria molucana, and Antochephalus cadamba, has changed to another use which has higher economic value. This situation has caused disparity between demand and supply of wood resources in pulp and paper industry. In order to fulfill the disparity, studies should be conducted to find new or alternative raw materials for pulp and paper from the forest industry. Terap (Artocarpus elasticus Reinw. Ex Blume), medang (Neolitsea latifolia (Blume) S. Moore), and balik angin (Alphitonia excelsa (Fenzel) Reissek ex Benth) are less-utilized native tree species in South Kalimantan, Indonesia. These species are naturally distributed and found abundantly in the secondary forests in South Kalimantan. However, information on the chemical and pulp properties of these three species is still very limited. Therefore, the studies on these properties are needed. The objective of this study is to clarify the chemical and pulp properties of three native fast-growing species, terap, medang, and balik angin, for their possibilities as new raw materials for pulp and paper industry in Indonesia. 2. Experiments This study used the discs from 1 m above the ground from five trees of each species, terap, medang, and balik angin, grown in Lambung Mangkurat University Education Forest, Mandiangin, South Kalimantan, Indonesia (3 2 to 3 45 S, to E). Wood meals (42 to 82 mesh size) were prepared for determining the contents of chemical components. Wood sticks (1 x 1 x 20 mm) were prepared to determine pulp properties. The sticks were pulped by a kraft cooking process under the following conditions: active alkali charge = 16% (as NaOH); sulfidity index = 25%; liquor/wood ratio = 4/1 (w/w); time to the cooking temperature = 90 min; time for the cooking temperature at 170 C = 90 min. After that, pulp yield was determined. 3. Results and discussion Chemical properties of wood are important factors that influence the quality of pulpwood. Wood with low extractive content is preferable for pulpwood, because extractives in wood affect the pulp and paper end products by producing odor and staining substance (Ona et al. 2001; Jahan et al. 2011). Generally, the presence of extraneous materials in wood reduces pulp yield, and the substance consumes chemicals for their removal (Pereira 1988; Ashori and Nourbakhsh 2009; Khakifirooz et al. 2012). In the present study, extractive content of balik angin was lowest among three species. Those contents in Acacia hybrid, A. mangium, and A. auriculiformis were 4.9, 5.4, and 6.0, respectively (Yahya et al. 2010; Chong et al. 2013). Based on the results obtained in the present study and previous studies, extractive contents in three species tested here were lower than those in Acacia hybrid, A. mangium, and A. auriculiformis (Yahya et al. 2010; Chong et al. 2013). Yahya et al. (2010) reported that holocellulose and α-cellulose contents in A. mangium were 80.4 and 45.7%, respectively. The mean values of holocellulose and α-cellulose contents of terap, medang, and balik angin were almost similar with those contents in A. mangium (Yahya et al. 2010). Higher content of holocellulose in wood results in higher pulp yield (Ashori and Nourbakhsh 2009). On the other hand, α-cellulose contents of these three species were higher than those of A. mangium (Yahya et al. 2010). Higher content of α-cellulose also 155

162 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 provides higher pulp yield (Amidon. 1981; Ashori and Nourbakhsh 2009). Total lignin content of terap was highest among three species. The contents in A. hybrid, A. mangium, and A. auriculiformis were 30.2, 31.3, and 34.1%, respectively (Yahya et al. 2010; Chong et al. 2013). Lignin contents of these three species were lower than those of A. hybrid, A. mangium, and A. auriculiformis (Yahya et al. 2010; Chong et al. 2013). The highest pulp yield was found in balik angin wood. 4. Conclusion Based on chemical and pulp properties, terap, medang, and balik angin are suitable as raw material for pulpwood. Acknowledgment We express sincere thanks to Sultan Adam National Forest Park and Faculty of Forestry, Lambung Mangkurat University, Banjarbaru, South Kalimantan, Indonesia, for providing the samples. References Amidon, T. E Effect of the wood properties of hardwoods on kraft paper properties. Tappi J. 64: Ashori, A and A. Nourbakhsh Studies on Iranian cultivated paulownia - a potential sorce of fibrous raw material for paper industry. Eur J Wood Prod. 67: Chong, E.W., K.C. Liew, S. K. Phiong Preliminary study on organosolv pulping of Acacia hybrid. J For Sci. 29: Jahan, M.S., M. M. Haider, M. Rahman, D. Biswas, M. Misbahuddin, G. K. Mondal Evaluation of rubber wood (Hevea brasiliensis) as a raw material for kraft pulping. Nordi. Pulp and Paper Res. J. 26: Khakifirooz, A., M. Kiaei, A. N. Sadegh, A. Samariha Studies on chemical properties and morphological characteristics of Iranian cultivated kenaf (Hibiscus cannabinus L.): A potential source of fibrous raw material for paper industry in Iran. Res. on Crops. 13: Ona, T., T. Sonoda, K. Ito, M. Shibata, Y. Tamai, Y. Kojima, J. Ohshima, S. Yokota and N. Yoshizawa Investigation of relationship between cell and pulp properties in Eucalyptus by examination of within-tree property variations. Wood Sci. and Technol. 35: Pereira, H Variability in the chemical composition of plantation eucalypts (Eucalyptus globulus Labill.). Wood and Fiber Sci. 20: Yahya, R., J. Sugiyama, J. Gril Some anatomical features of an Acacia hybrid, A. mangium and A. auriculiformis grown in Indonesia with regard to pulp yield and paper strength. J. Trop. For. Sci. 22:

163 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 インドネシア スマトラ島に植栽された早生樹 Kayu Bawang の成長と木材性質の関係 相蘇春菜 (D1) 東京農工大学大学院連合農学研究科環境資源共生科学専攻 ( 指導教員 ) 石栗太 ( 准教授 ) 宇都宮大学大学院農学研究科 1. 緒言近年 インドネシアにおいて 人口の増加や経済発展に伴う天然林資源の利用増加により 放棄耕作地の増加や天然林面積の減少が大きな社会問題となっている こうした問題に対し Acacia mangium A. auriculiformis Falcataria moluccana のような早生樹の植林による荒廃地の緑化および天然林木の代替材の供給が期待されている (4) 早生樹植林は 短期間で高い現金収入を得ることが可能なことから 企業などによる大規模な植林事業だけでなく 地域の農村住民などによる小規模な範囲の植林 ( コミュニティフォレスト ) など 様々な形で利用されている 一方 インドネシアには いまだに多くの未利用早生樹種が存在することが知られており こうした未利用樹種の木材性質に関する研究例は少ない (3) インドネシアにおける森林と社会の関係における問題を解決するために 未利用樹種の木材としての利用可能性を明らかにする必要がある Kayu Bawang(Dysoxylum mollissimum) は センダン科 Dysoxylum 属の一種である 最近 インドネシア スマトラ島ブンクル近郊において 北ブンクル地方の郷土樹種であるKayu Bawangが コミュニティフォレストにおける植林用の早生樹として注目されている (1) しかしながら Kayu Bawangの成長や木材性質についての研究例はほとんどない (3) 本研究では インドネシア スマトラ島ブンクル近郊のコミュニティフォレストに植栽された 10 年生 Kayu Bawangの組織構造および木材性質を調査した 2. 実験材料には インドネシア スマトラ島ブンクル近郊 (S3 44 E ) に植栽された 10 年生 Kayu Bawangを用いた この林分は ほぼ平坦地であり 初期植栽間隔 3 3 mで約 100 本のKayu Bawangが植栽されていた このうち 林縁部を除いた50 本について 直径 樹高および木材強度と関連している応力波伝播速度を調査した また 得られた幹直径の直径および標準偏差を基に 肥大成長の遅い個体 ( グループS) 標準的な個体( グループM) および良好な個体( グループF) について各 3 個体 合計 9 個体を選定し 成長錐により直径 5 mmのコアサンプルを採取した このコアサンプルを髄から樹皮側に向かって1 cmずつ切断し ブロックを作製した 得られたブロックを用いて 木材性質 ( 容積密度および縦圧縮強さ ) を測定した 3. 結果容積密度の平均値は, グループS MおよびFでそれぞれ0.45 ± ± 0.02および0.43 ± 0.02 g/cm 3 であった グループS Fにおいては 容積密度は 髄側から4 cmまで僅かに減少し その 157

164 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 後 6 cmまで増加 最終的に樹皮側にむかってほぼ一定の値で推移する傾向を示した 一方 グループMにおいては 容積密度は 髄付近で減少せず 樹皮側にむかって僅かに増加する傾向を示した 縦圧縮強さの平均値は グループS MおよびFでそれぞれ29.2 ± ± 2.0および29.9 ± 2.6MPaであった 縦圧縮強さは グループSおよびグループFにおいて 髄から樹皮側に向かって増加し最大値を示した後 やや減少する傾向を示した 一方 グループMにおいては 縦圧縮強さは 髄から樹皮側に向かって僅かに増加する傾向を示した 4. 考察容積密度は 髄から6 cm 付近まで僅かな変動は認められるが ほぼ一定の値で推移する傾向が認められた このことから 本研究で用いたKayu Bawangは 容積密度を基準にした場合 半径方向に材質が安定していると考えられる 熱帯に生育する広葉樹において 容積密度および縦圧縮強さなどの木材性質は 肥大成長速度の違いにより影響を受ける樹種とそうでない樹種があることが指摘されている (2) 本研究においては 縦圧縮強さは 肥大成長速度グループ間で有意な差は認められず また 胸高直径との間にも有意な相関関係は認められなかった このことから 縦圧縮強さは 肥大成長速度の影響を受けないと考えられる 一方 容積密度は 肥大成長速度グループ間で有意な差が認められたが その平均値は いずれのグループにおいても 0.45 g/cm 3 付近であり ほぼ同等の値であった また 容積密度は 胸高直径との間に有意な相関関係を示さなかった 従って 容積密度についても 肥大成長速度の影響は受けにくいと考えられる 5. 結言本研究の結果から Kayu Bawang は 容積密度が半径方向に均質な木材を供給できる樹種であることが明らかとなった さらに 成長形質が優れた かつ高い強度特性を有する個体を精英樹として選抜するなどの材質育種を適用し さらに材質の優れた個体が生産可能であるかについて今後 検討する必要がある 謝辞本研究を遂行するにあたり ご協力頂いたブンクル大学農学部 Ridwan Yahya 博士 ボゴール農科大学林学部 Imam Wahyudi 博士 宇都宮大学農学部学生平野未来氏に感謝致します 参考文献 1)Depari EK et al.(2013)the third international symposium for sustainable humanosphere 2)Ishiguri et al.(2012)iawa Journal 33: )Sosef et al.(1998)plant Resources of South-East Asia 5:(3)Timber trees: Lesser-known timbers pp ) 山本浩之 児嶋美穂 (2009) 木材工業 64:

165 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 放牧が乳牛の乳質に及ぼす影響に関する栄養学的および行動学的解析 - 放牧の多面的効果を活かしたビタミンD 強化牛乳の生産 - 山口美緒 (D1) Mio Yamaguchi(D1) 東京農工大学大学院連合農学研究科生物生産科学専攻 ( 指導教員 ) 長尾慶和 ( 教授 ) Yoshikazu Nagao (Professor) 宇都宮大学大学院農学研究科生物生産科学専攻 1. 緒言現在 勤務形態の多様化に伴う労働者の生活時間帯の多様化および強い美容意識による日光浴時間の減少は体内におけるビタミンD(VD) 不足をもたらしている アメリカ カナダ オーストラリアなどでは 血中 VD 濃度が免疫あるいは慢性病と関連しているという報告を受け VD の摂取目安量を以前の2~3 倍に引き上げ 牛乳への VD 添加やサプリメント摂取でその不足を防いできた しかし日本では VD の血中濃度の目標値は従来のままであり また食品中への添加剤を好まない食文化により 牛乳中への VD 添加も欧米諸国ほど行われていない そこで 我々は放牧すなわち日光浴と生草摂取による VD 強化牛乳について着目した 生草の自由摂取による生草特有成分の摂取と 日光浴による乳牛の VD 合成の促進は 結果的に生乳中 VD 濃度の増加をもたらす可能性がある 添加剤を使用することなく 放牧により VD をはじめとする機能的栄養成分を自然に高められることが明らかになれば より安心 安全で高機能な牛乳を提供できる さらには 放牧を取り入れた生乳の差別化や動物福祉に配慮した飼養管理体系の普及にも貢献できると考えている 2. 実験方法宇都宮大学農学部附属農場で飼養されているホルスタイン種泌乳牛 7 頭を用いた 供試牛は 窓を遮光した牛舎内に1 日中繋留され 日光浴および生草摂取が不可能である条件下 ( 以下 舎内区 :8/14-20) 運動場に放たれ日光浴は出来るが生草摂取が不可能である条件下( 以下 運動場区 :8/21-27) 放牧地に放たれ日光浴および生草摂取が可能である条件下 ( 以下 放牧区 :8/28-9/3) に置かれた 供試牛は牛舎内のパイプストールに繋留され 9:30 から 14:00 まで放牧され この時間を日光浴の時間とした 生乳および血液サンプルの採取は 各期間においてほぼ毎日 17:00 に行った 検討項目は 生乳については 乳量 乳中 25(OH)VD 3 濃度 乳脂率 乳タンパク質率 乳糖率 乳中尿素態窒素 ( 以下 MUN) 濃度 乳中体細胞数 IgA IgG および IgM 濃度とし 血中については 血中 25(OH)VD 3 およびイオン化カルシウム ( 以 159

166 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 下 ica) 濃度とした また 放牧地に設置された精密気象観測ネットワークシステムで最 高気温 最高湿度 日射量および日照時間を観測した 得られた結果について 分散分析および Fisher s PLSD 法により統計解析を行い 危険率 5% 以下で有意差ありとした 3. 結果と考察乳中 25(OH)VD 3 濃度は各区間で差が認められなかった ( 図 1) 血中 25(OH)VD 3 および ica 濃度において 舎内区と比較して運動場区および放牧場区で高くなる傾向にあり ( 図 2および 3) 両者間に有意な正の相関が得られた(R=0.79, P<0.01; 図 4) 大部分の哺乳動物は 皮膚に紫外線を受けることで VD を生産できる 皮膚あるいは飼料から供給され腸から吸収された VD は迅速に運搬され肝臓に貯蔵され 25(OH)VD 3 に転換されて血中に放出される 増加傾向だった血中 25(OH)VD 3 が骨および腸管における Ca 2+ 吸収を促進したため 血中 ica 濃度が増加したことが考えられる しかしながら 運動場区および放牧場区における日射量および日照時間は 晴天時に報告されている数値と比較して低かった 本研究においては 曇天が続き 皮膚に受ける紫外線量が少なかったために 運動場区および放牧場区での VD 合成が十分に促進されなかった可能性がある (nmol/l) 舎内区 運動場区 放牧場区 図 1. 生乳中 25(OH)VD 3 濃度 (nmol/l) 舎内区運動場区放牧場区 図 2. 血清中 25(OH)VD 3 濃度 (mmol/l) 舎内区運動場区放牧場区 図 3. 血清中 ica 濃度 血清中 ica 濃度 (mmol/l) 血清中 25(OH)VD 3 濃度 (nmol/l) 図 4. 血中 25(OH)VD 3 および ica 濃度の相関 4. 結言本研究の結果から 紫外線量が不足している条件下では 放牧における日光浴が乳中 VD 濃度を増加させることは認められなかった しかしながら 血中 VD 濃度が増加し 骨代謝が促進される傾向が示された 160

167 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 異なる性質の微小物体に対する自動把持解放 阿部有貴 (D2) Yuki ABE(D2) 宇都宮大学大学院工学研究科システム創成工学専攻 ( 指導教員 ) 尾崎功一 ( 教授 ) Koichi OZAKI (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科機械知能工学専攻 1. 緒言近年, 微細作業が様々な分野で行われている. それらの微細作業に伴い, 様々な微小物体に対する微細作業の自動化が期待される. これまでに我々は花粉に対して, 輪郭ボケ幅を利用した奥行距離推定手法による自動での微細作業を達成してきた. 微細作業の対象には, 花粉を用いた品種改良の他に微小異物の除去や工業部品の選別がある. 様々な微小物体に対しても, 同じように微細作業が行えることが望ましい. そこで本稿では, 花粉とガラスビーズに対しての実験を行い, 異なる微小物体に対するマイクロマニピュレーションの有用性について評価する. 2. 微小物体の把持 解放微小物体の把持と解放には, 先端に針状のエンドエフェクタのついた 2 台のマイクロマニピュレータを用いて行う.Fig.1 に把持から解放の流れを示す.Fig.1 における球体はガラスプレート上にある微小物体を表し, 針状の物体はエンドエフェクタである. 把持動作は, エンドエフェクタを微小物体の下に差し込み, 下から支えるように持ち上げる. 微小物体の下に差し込む際, 差し込むことが出来る空間は微小なため, 高い精度の三次元距離計測が必要となる. そこで本研究ではこれまで提案してきた輪郭ボケ幅を用いた奥行距離推定手法 [1] を距離計測に適用する. 解放は微小物体に生じる他の物体との付着力を利用する. 微小物体に対するエンドエフェクタとの付着力よりも床面 ( ガラスプレート面 ) との付着力が大きくなるように操作を行い解放する. Slide View Top View ry cx rx Top View cx Slide View lz rz cy cy cz cz cy cy (1) Movement in the depth direction ly lx cx (2) Movement to the position near the particle cx (3) Movement to the downside of the edge of the particle (4) Movement in the depth direction Slide View Top View Top View Slide View (5) Movement in the depth direction (6) Movement to the position far the particle (7) Separated from the particle (8) Movement in the depth direction Fig.1 Pick-up and Release 161

168 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 3. 実験有用性を評価するために実験を行う. 本実験では胡桃の花粉とガラスビーズに対して行う. 実験条件は湿度 20% で, 胡桃の花粉の大きさは 32~42μm であり, ガラスビーズの大きさは約 30 μm である. 輪郭ボケ幅による奥行距離推定式を用いて微細作業を行う. それぞれの微細作業は 10 回ずつ行う. 微細作業の有用性について, 微小物体の把持と解放の成否をもとに評価を行う. 4. 結果と考察胡桃の花粉とガラスビーズに対する把持解放の様子を Fig.2 に, 成功率を Table1 に示す. 解放の総試行回数は, 把持の全成功回数である. 胡桃の花粉に比べて, ガラスビーズの実験では把持に一度失敗している. これは, 胡桃の花粉よりもガラスビーズが小さく軽量であるため, エンドエフェクタと接触した際に位置がずれたと考える. しかし, 実験結果では胡桃の花粉とガラスビーズともに高い成功率が得られた. 以上のことより, 胡桃の花粉とガラスビーズの物性による差はみられたが, それぞれの微小物体に対するマイクロマニピュレーションの有用性を確認できた. 50µm (a) Initial state (b) After positioning in the depth direction (c) After positioning in the X and the Y direction (d) After pickup (e) Before release (f) In the midst of release (g) After release (h) Move Z direction Fig.2 Result of Pick-up and Release Table1 Success rate of Pick-up and Release Walnut Glass bead Success rate of pick-up 100% 90% Success rate of release 80% 89% 5. 結言本稿では, 提案手法の有用性を二種類の微小物体を用いて評価した. 実験結果から本手法の有用性を示した. 本手法では, 微小物体と他の物体 ( 床面 エンドエフェクタ等 ) との静電気力 液架橋力などの付着力の測定が重要となってくる. 今後, 本プロジェクトにて援助いただいた機器を用いて付着力の測定を実現し, 測定法の特許申請および JIS ISO の規格化を目指す. 参考文献 1)S. Osawa, K. Ozaki: Automatic Pickup and Release of Particle by Depth Estimation Method with Micromani-pulators for Particle Sorting System, Proc. of the IEEE/SICE SII

169 電解を複合した内面磁気研磨法に関する研究 モハマドリダビンムハマド (D3) MOHD RIDHA BIN MUHAMAD (D3) 宇都宮大学大学院工学研究科システム創成工学専攻 鄒艶華 ( 准教授 ) ZOU YANHUA (Associate Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科 1. 緒言クリーンパイプやガスボンベは半導体産業や医薬品など幅広く使用されている. 従来のパイプやガスボンベの内面研磨は研磨機械の寸法制限が厳しいところに磁気研磨の加工法が可能だというメリットがある. 加工時間が短く 高能率であることから近年人気が高まってきている. 本研究では, 実用化に向けて磁気研磨法の研磨時間を短縮するとともに, 研磨表面の精度を向上すると目的をした電解を複合した内面磁気研磨法を提案している. すなわち 電解反応によって金属表面が溶解させ 酸化皮膜が形成される. その後 磁気研磨の工具で金属表面の酸化皮膜を除去する加工方法である. 本研究はこれらのプロセスを同時に行い 高能率 高精度表面創成を実現することを目的としている. 2. 加工原理 図 1 に電解複合したパイプ内面磁気研磨法の加工原理の模式図を示す. 本研究で用いた加工工 具は磁石工具と電解作用の電極工具で構成されたため 複合加工工具と呼ぶ. 図 1 に示すように 工作物円管の外側に設置した磁極ユニットを回転させると 複合加工工具は磁気吸引力を受け, 外部磁極に追従し一緒に回転し 相対 運動を発生する. 複合加工工具から強い磁力 ( 加工力 ) を得られるため 閉磁気回路を形成できるように配置する. そこで複合加工工具の電極部に電解液 Magnetic pole Closed magnetic circuit Epoxy putty Cathode で濡らすポリエスター布を巻付けて直流電流を流すと電気分解反応が起こる. 陽極の金属表面 ( 工作物 ) が溶解し, 酸化膜を形成させる. 複合加工工具の永久磁石端面に磁気吸着させた磁性粒子を介して円管内面の精密仕上げを実 Magnetic yoke Magnet 現させる. 3. 実験方法及び実験結果 Magnetic yoke Magnetic pole Combination machining tool 工作物をチャックに固定し, モータ Fig. 1 Photograph of finishing principle process 163

170 とクランク機構によって円管軸方向に送り速度 5mm/s で往復運動を 10mm の区間に与えた. 複合加工工具をポリエスター布で巻き付けて, その上に磁性粒子 ( 電解鉄粉平均流刑 149μm+WA 砥粒 # 研磨液 ) を吸着させる. ポリエスター布を電解液で濡らし 複合加工工具に巻付け その陰極部と工作物の間に 0.5A の直流電流を流したら電解反応が起こる. パイプの外側に磁極ユニットをモータによって回転可能なプーリに固定し 200rpm に回転させ, 磁極ユニットを反対方向に 50rpm で回転させる. 電解研磨と磁気研磨法を 2 分間の同時研磨を行った. その後 電解研磨を停止させ 表面に残留した酸化皮膜を除去する目的として磁気研磨のみを行なった. 加工前後の表面を SEM で観察した. その結果図 2に示す. 電解複合加工により加工時間の短縮が成功した μm R a 0.028μm R a 0.028μm R a (a) 研磨前 (b) 40mins MAF 0.029μm R a (c) 2mins ECM+ 6mins MAF (d) 2mins EMAF+ 9mins MAF Fig. 2 Surface photo before and after finishing observed under microscope 5. 結言本研究では電解を複合した内面磁気研磨法を提案し 電解研磨と磁気研磨を同時に実現できた. 従来の研磨方法に比べて研磨時間の短縮ができた. 参考文献 (1)Zou, Y.H., Liu, J.N. & Shinmura, T., Study on Internal Magnetic Field Assisted Finishing Process Using a Magnetic Machining Jig for Thick Non-Ferromagnetic Tube. Advanced Materials Research, Vol.325(2011), (2) マイクロ応用加工, 木本康雄 矢野章成 杉田忠彰 黒部利次 山本昌彦 共立出版株式会社 (2010). 164

171 変動磁場を利用した新しい超精密平面磁気研磨法に関する研究 呉金忠 (D2) JINGZHONG WU(D2) 宇都宮大学大学院工学研究科システム創成工学専攻 ( 指導教員 ) 鄒艶華 ( 准教授 ) YANHUA ZOU (Associate Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科 1. 緒言近年, 半導体製造装置用部品, 光学部品, バイオテクノロジーなど様々な分野での精密部品に需要が拡大しており, それらの発展に伴い, 工作物表面をナノレベルかつ高効率に仕上げる精密研磨技術が求められている. 磁気研磨技術の応用も注目されている. 従来の磁気ブラシを利用した平面磁気研磨法 1)2) において, 超精密仕上げに応用するときに, ミクロン単位の微小磁性粒子を利用される. そのため, 加工途中における微細砥粒の凝集や, 磁気ブラシが加工物と接触後原状に戻りにくいなどの問題があった. そこで, 本研究では変動磁場を利用した新しい超精密平面加工法を提案し, 上述した問題に対して改善策を探して研究を展開している. 特に, 超精密研削加工で残った加工痕を除去できることをも期待されている. 2. 加工原理変動磁場を利用した新しい平面磁気研磨法は, 電磁極先端に発生した変動磁場を利用して, 磁性粒子ブラシを変動しながら加工を行う方法である. 電磁コイルに交流電流を通電すると変動磁場が発生する. 磁性砥粒は磁力線に沿って磁気ブラシに形成し, 磁場が変動すると, 磁気ブラシが上下方向に動ける. この磁性粒子の動きを利用して, 研磨材を磁気ブラシの先端に引き上げられて工作物表面を研磨する. 本加工法は, 変動磁場によって磁性砥粒を分散しながら安定的に加工が実現できる. そのほか, 磁極はモータとつなぎ回転運動と前後移動を行い, 工作物との相対運動を発生させて工作物の広範囲加工を実現する 3). 3. 実験まず,6 種類磁極を設計し, 磁極先端の加工部に生じる磁束密度を測定した.6 種類異なる形状の磁極が磁束密度の分布と磁性粒子の動きを比較した. 次に, 変動磁場中に置いた磁性砥粒の挙動を観察し, 研磨圧力を測定した. 研磨液種類 磁極回転数 磁性粒子の種類 磁場周波数が研磨圧力に及ぼす影響を考察した 4). SUS304 ステンレス鋼平板を加工対象とし, 研磨実験を行った 5). 研磨液種類 ( 油性研磨液 水溶性研磨液 シリコーンオイル ) 磁極回転数(200rpm,250rpm,300rpm,350rpm,400rpm,450rpm) 磁場周波数 (1Hz, 3Hz, 5Hz, 7Hz, 9Hz) が加工特性に及ぼす影響を考察した. 165

172 4. 実験結果及び考察図 1 に, 非接触型三次元光干渉式表面粗さ計を用いて加工前後の工作物表面を示す. 工作物の表面粗さは加工前の nmRa から 4.37nmRa まで向上でき, ナノレベル超精密表面を創成できることを明らかにした. 本実験結果によって, 加工後の表面は均一に全面超精密加工が実現できることを明らかにした. 本報では示していないが, 他の実験結果により加工時間の増加によって表面粗さが段々に減少していくことがわかる. その理由としては 本加工方法において磁気研磨スラリ が常に動きながら加工し, 磁性粒子の固まることのない加工方法であり, 研磨材砥粒が常に新陳代謝できることも証明できた. 227μm Ra nm 227μm Ra 4.37nm 299μm 299μm Before finishing After finishing Fig.1 3D-profile images of finishing surface before and after finishing 5. 結言本研究は, 変動磁場を利用した新しい超精密平面磁気研磨法を提案した. 磁場の変動によって磁気研磨スラリ を動かせ, 研磨材を磁気ブラシの先端に引き上げられて工作物表面を超精密研磨するため, 磁性粒子の固まりのない加工が実現できた. 実験結果によって, 工作物の表面粗さは加工前の nmRa から 4.7nmRa まで向上でき, ナノレベル超精密表面を創成できることを明らかにした. 参考文献 1) Takeo Shinmura,Toshio Aizawa, Development of Plan Magnetic Abrasive Finishing Apparatus,J. Jpn. Soc. Precis. Eng.54 (5) (1988) 928 (in Japanese). 2) Yanhua Zou, Anyuan Jiao, Toshio Aizawa, Study on Plane Magnetic Abrasive Finishing Process Experimental and Theoretical Analysis on Polishing Trajectory-, Advanced Materials Research, (2010) ) Yanhua Zou, Jinzhong Wu, Development of Ultra-precision plane Magnetic Abrasive Finishing Process by application of varying magnetic field, 2013 年度精密工学会春季大会学術講演会, ) Jinzhong Wu, Yanhua Zou, Study on ultra-precision plane magnetic abrasive finishing process by use of alternating magnetic field, Appl. Mech. Mater (2013) ) 鄒艶華, 呉金忠, 変動磁場を利用した超精密平面磁気研磨法の開発, 2014 年度砥粒加工学会学術講演会講演論文集,

173 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 反芻動物における乳腺組織の構築過程に関する組織学的解析 原明日香 (D1) Asuka Hara (D1) 東京農工大学連合農学研究科生物生産科学専攻 ( 宇都宮大学 ( 指導教員 ) 長尾慶和 ( 教授 ) Yoshikazu Nagao (Professsor) 宇都宮大学大学院農学研究科生物生産科学専攻 1. 緒言哺乳類に特有の乳腺組織は胎子期に基礎が構築され 乳汁の生産を行う乳腺胞などの機能的な組織の構造は妊娠期に構築される 乳腺組織を構成する乳腺上皮細胞や筋上皮細胞などは すべて組織幹細胞の一種である乳腺幹細胞に由来している このため ヒトにおいては乳がんなどによる疾病で失われた乳腺組織の機能や形態の回復 あるいは乳用家畜においては 乳房炎の感染機序の解明と効果的な治療法の開発など 再生医学や畜産分野での応用が期待されている しかしながら 乳腺幹細胞の性質や動態 幹細胞を取り巻く環境については十分には解明されていない 従来 乳腺幹細胞などに関する研究はマウス中心に進められてきたが 乳腺組織の構造はヒトと反芻動物で類似点が多い このため 反芻動物の乳腺組織を解析することで ヒトに対してもより汎用性の高い乳腺幹細胞に関する情報を得られると考えられる そこで本研究では これまでに免疫染色により乳腺組織の機能解析を行ってきた 本年度は 乳腺幹細胞の活性を前駆細胞の活性を評価することで間接的に評価し 乳腺幹細胞が活発に活動している時期の特定を行った 2. 実験方法胎子期の乳腺組織はと畜場にてウシ胎子 (n=11) より採取した 妊娠期の乳腺組織は 附属農場で飼養管理している妊娠ヒツジ (n=4) の乳腺より外科的に採取した 採取した乳腺組織は 乳腺組織の前駆細胞活性を評価することを目的に 3 10E4cells/dish でコロニー培養を行い 培養 14 日目に 50 細胞以上の細胞集団をコロニーとして コロニー数を計数しコロニー活性とした 3. 結果胎子期ウシ乳腺組織から分離 培養した細胞から敷石状の上皮系細胞コロニーが観察された ( 図 1) 計数されたコロニーの平均数は 約 80 日齢では 7.3 個 約 85 日齢では 42.7 個 約 90 日齢では 15.5 個 約 100 日齢では 5.7 個 約 130 日齢では 2 個 約 240 日例では 0 個であった ( 図 2) 平均コロニー数 図 1. 胎子の乳腺細胞を培養して得られたコロニー N.D ( 推定日齢 ) 図 2. ウシ胎子期乳腺組織のコロニー活性 167

174 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 妊娠期のヒツジから採取した乳腺組織をコロニー培養した結果 立方体状の細胞が集合したコロニー ( 図 3) および敷石状の上皮系細胞コロニーが観察された 計数されたコロニーの平均数は 妊娠 63 日では 2 個 妊娠 116 日では 3.5 個 妊娠 120 日では 1.3 個 妊娠 135 日では 2.6 個であった ( 図 4) 4. 考察 ウシ胎子において 約 80 日齢から 85 日齢にかけてコロニー数の増大が観察され その後コロ ニー数は減少していき 約 240 日齢ではコロニーの形成は見られなかった この結果から 約 85 日のウシ胎子において乳腺前駆細胞活性が高いことが示唆された これまでの検討で 胎齢中期 ( 約 日齢 ) において膠原組織などの結合組織に脂肪細胞が集合し脂肪が蓄積すること 脂 肪の蓄積が開始されると同時期に乳頭において乳腺組織の実質となる上皮細胞集団が脂肪組織 に向かって伸長することを明らかとした また 細胞の増殖性を観察する目的で Ki-67 による免 疫染色を行った結果 約 170 日齢にいて 乳頭から内部に伸張する上皮細胞集団で陽性細胞を観 察した 以上から 約 日齢にかけて乳腺前駆細胞が活発に細胞分裂を行い増殖し その 後 乳頭から内部の脂肪組織に向かい増殖した上皮細胞集団が伸張すること 乳腺前駆細胞は内 部に伸張する上皮細胞集団とともに移動することが示唆された 妊娠期においては 妊娠日齢によるコロニー数の違いは観察出来なかった また ki-67 の発現 陽性細胞はどの妊娠日齢においても乳腺組織を構成する管腔構造内で観察された 以上から 妊 娠期において 乳腺前駆細胞は妊娠期間の全般にわたり活動していると考えられた 従って 今 回の検討では活性が高い時期を特定することが出来なかったが 妊娠期間を通じて同レベルの活 性を維持している可能性がある また一部のコロニーは立方体状の細胞形態を示す細胞から形成 されていた この形態の違いは細胞の分化段階が異なることに起因することが考えられる 今後 コロニーを形成する細胞種を免疫染色を用いて特定し さらに詳細な乳腺前駆細胞活性を行いた いと考えている 図 3. 妊娠期の乳腺細胞を培養して得られたコロニー 平 6 均コ 4 ロニ 2 ー数 妊娠日齢図 4. ヒツジ妊娠期乳腺組織のコロニー活性 5. 結言反芻動物の乳腺組織を用いて 乳腺幹細胞活性を間接的に評価した結果およびこれまでの免疫染色による組織観察の結果から 乳腺幹細胞の活性は胎子期の中期に高いことが示唆された しかしながら 妊娠期においては活性の高い時期を特定することが出来なかった 今後 コロニーを形成する細胞種の特定および組織学的解析進め 乳腺幹細胞の分化増殖に影響する要因を明らかにしたい 168

175 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 環境中に存在する磁場ノイズの地図化とそれを用いた自律移動法に関する研究 赤井直紀 (D2) Naoki AKAI(D2) 宇都宮大学大学院工学研究科システム創成工学専攻 ( 指導教員 ) 尾崎功一 ( 教授 ) Koichi Ozaki (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科機械知能工学専攻 1. 緒言地磁気は目に見えずわかりづらいが, ロボティクスの分野では広く利用されているものである. 地磁気の主な利用法は, 電子コンパスを用いて姿勢を推定するものであるが, この方法は, 磁性体による地磁気の乱れ ( 以下, 磁場ノイズ ) が存在する地点で利用できない. これに対して近年では, 磁場ノイズを用いた位置特定 ( 自己位置推定 ) 法が注目されている 1). 磁場ノイズを用いて自己位置推定, および自律移動を行うためには, 磁場ノイズを記した地図 ( 以下, 磁場地図 ) を作成する必要がある. しかし, 地磁気センサの観測範囲は狭く, 広範囲の磁場地図を作成することは容易ではない. そこで本研究では, 近年機械学習において利用されているガウス過程 2) を応用して, 広範囲の磁場地図を作成することを提案する. 2. 理論ガウス過程を端的に述べれば,n 個のトレーニングデータセット D = [{x 1, y 1}, {x 2, y 2},, {x n, y n}] から, それ以外の状態 x * のにおける観測値 y x* = f (x *) の平均値 μ x*, および分散 σ x* を求めるものである. ガウス過程におけるキーアイディアは, 異なる状態間の相関を求めることである. x x 2 p q k ( x, x ) σ exp (1) p q f 2 2 l 一般的には, 式 (1) に示すガウスカーネルを用いてその相関を表す. ここで,σ f と l はそれぞれ 2 状態の相関を表す重要なパラメータ ( ハイパーパラメータ ) である. ガウス過程では,f (x *) を得る予測分布をガウス分布として以下のように定める. 2 p ( f ( x ) x, X, y ) ~ N ( f ( x ); μ, σ ) (2) * * * x * x * T 2 1 μ k ( K σ I y (3) x * ) * n 2 T 2 1 σ k ( x, x ) k ( K σ I ) k (4) x * * * * n * ここで,X は x 1, x 2,, x n をまとめた行列,y は y 1, y 2,, y n をまとめたベクトルである. また,K はトレーニングデータ x に対する相関を表す行列,k * は x * とトレーニングデータ x に対する相関 169

176 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 Fig. 1 Magnetic intensity distribution Fig. 2 Estimated trajectories を表すベクトル,σ n は観測値に加わるガウシアンノイズの分散をそれぞれ表す. 本研究では, 地 磁気の観測点を x, 地磁気センサの観測値を y としてガウス過程を応用する. 3. 実験ガウス過程を用いて, 宇都宮大学工学部 2 号館の 1 階部分の磁場地図を作成した. なお, 地磁気データは, 環境中の幾何地図を Rao-Blackwellized Particle Filter を用いて作成し, その幾何地図を利用した Monte Carlo Localization により位置情報を得ながら収集した. 実験用プラットフォームとしては, 我々の研究室にて開発した移動ロボット SARA を用いた. 4. 結果と考察磁場地図 ( 磁場強度分布 ) の作成結果を図 1 に示す. また図 2 には, 自己位置推定実験を行った際の結果を示す. 図 2 では, 赤線が真値の軌跡, 青線が位置推定により得られた軌跡, 黒線が車輪の回転のみを用いて推定した軌跡を表す. 磁場地図を用いて自己位置推定を行うことで, 真値に近い軌跡を推定できたことが確認できる. 位置推定の結果, 真値からのずれは最大でも 1m 以下であった. 経路計画を工夫すれば, 屋内環境の自律移動にも適用可能な精度といえる. 5. 結言本研究では, 磁場ノイズを用いて自己位置推定を行うことを目的として, 広範囲の磁場地図を作成することを目的とした. 地磁気センサの観測範囲の狭さをカバーするために, 機械学習で用いられるガウス過程を応用した. これにより, 実環境における広範囲の磁場地図構築を実現した. さらに, 構築した磁場地図を用いて自己位置推定実験を行い, 最大誤差 1m 以下で自己位置推定が行えることを示した. 参考文献 1)B. Gozick, et al. Magnetic maps for Indoor Navigation, IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, vol. 60, no. 12, pp , )C.E. Rasmussen, et al. Gaussian processes for machine learning, The MIT Press,

177 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 高分解能光干渉断層計を用いた生体の分光と弾性の3 次元分布の計測装置の研究開発 リン イー ヘン (D3) Yiheng LIM(D3) 宇都宮大学大学院工学研究科システム創成工学専攻 ( 指導教員 ) 大谷幸利 ( 教授 ) Yukitoshi OTANI (Professor) 宇都宮大学オプティクス教育研究センター 1. 緒言光干渉断層計 OCT は, 光の干渉効果を利用し, 生体が生きたままで内部組織構造を数ミクロンの高分解能で3 次元的に可視化する技術である 1-2). この技術は生体の切除や造影剤の投薬が不要な上, 生体へ破壊を与えない利点があるため, 皮膚や目の疾患の診断へ応用されてきた. 特に, 眼科において OCT は不可欠な診断装置となっている. OCT の発展に伴い生体の性質を可視化するため, 分光 OCT や弾性 OCT などの機能的な拡張をした OCT が開発されてきた 3 4). 分光 OCT は波長に依存した光吸収や散乱を計測し物質の3 次元的な濃度分布を分析する技術である. 応用として血液の酸素濃度の計測があげられる. 弾性 OCT は生体の硬さを可視化し, 生体内の異常性の検出に有効だと考えられる. 機能 OCT の開発によって, 通常の OCT において計測できない生体の性質を可視化できるため, より幅広い疾患の診断が可能になると期待されている. 本研究は分光 OCT と弾性 OCT の開発に向けて, 超広帯域高分解能 OCT の開発したので報告する. 2. 実験図 1 に示すようにレーザー光源として超広帯域 Supercontinuum 光源 (SuperK Compact, NKT photonics, Denmark) を用いて波長フィルタで利用する波長 nm を選択し高分解能 OCT を構築した. 干渉計で光を参照アームとサンプルアームに分岐する. 参照アームには参照ミラーがあり, サンプルアームにはスキャンミラーを使ってサンプルをスキャンする. 参照ミラーとサンプルから反射して戻ってくる光が, 分光器で干渉縞を作り, その干渉縞を分光器カメラで検出する分光器には分光する透過型回折格子と, 集光するレンズ群と, ラインカメラを用いて構築した. カメラから検出された干渉縞をフーリェ解析によって, サンプルの断層図が得られる. 実験では サンプルとしてミラーを異なる深さにおき OCT の性能評価した. 0.2 g かんてん, 20 ml 水と 20 ml のイントラリピッド 20% からなる光学ファントムを計測した. 3. 結果と考察 図 2 は OCT の性能評価を示し, 深さ方向分解能が 1.6 mm まで 1.6 μm と得られ, それ以上の深 くなると分解能が低下する傾向を示してある. 深さ 0.2 mm において 94.4 db の感度が得られ, 深 171

178 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 さ 550 μm までは感度が 8.2 db/mm で減衰し, それより深くなると感度が 19.5 db/mm で減衰すると分かった. この性能評価より最大計測可能な深度が 2.38 mm と分かった. 図 3 は OCT で計測した光学ファントムの断面図であり 断面図より計測の光がこのファントムへの浸透深さが百数十 μmだと分かった. 1.6 mm より深いところで分解能が悪化するのは, 使用する波長帯域が広いため分光器のレンズが設計中心波長から離れる波長の集光の性能が悪くなるからである. 4. 結言高分解能 OCT の構築ができた. 本研究の発展としてこの超広帯域 OCT を用いて, 分光 OCT と弾性 OCT の開発である. 分光 OCT と弾性 OCT の開発によってより幅広い疾患の診断への応用が期待される. 参考文献 1) D. Huang, E. Swanson, et al., Science 254, (1991). 2) L. Liu, et al., Nat Med 17, (2011). 3) X. Liu, et al., Biomed. Opt. Express 2, (2011). 4) C. Sun, et al., J. Biomed. Opt 16, (2011). (a) 高分解能 OCT (b) 干渉計の側面図 1 高分解能 OCT と干渉計の側面の写真. 図 2 各計測深度における OCT の感度と分解能 図 3 光学ファントムの計測 172

179 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 2 関節筋モデルに基づくクッション性を有する脚モジュールの開発 ~ 脚モジュールによる 2 足歩行ロボットの製作とその計測 ~ 高橋庸平 (M1) Yohei TAKAHASHI(M1) 宇都宮大学大学院工学研究科機械知能工学専攻 ( 指導教員 ) 尾崎功一 ( 教授 ) Koichi OZAKI (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科機械知能工学専攻 1. 緒言人間の生活環境 ( 以下, 実環境 ) でサービスを提供するロボットの開発が期待されている. 実環境は 2 足歩行で行動する人間に最適化されているため, そこで活躍するロボットは, 人間と同様に 2 足歩行が可能であることが好ましい. 本研究では, 人間の生活環境を歩行できる出力の大きなヒューマノイドロボットの下肢 (2 足歩行ロボット ) の開発を行なうことを目的とする. 現在の 2 足歩行ロボットで採用されているアクチュエータには一長一短がある. そこで本研究では, 新たなアクチュエータとして, 質量比出力に優れており, ダンパ機能を有する, 空気圧シリンダを採用する. しかし, 位置決め精度が悪く, 力制御と速度制御が困難という短所がある. そこで本研究では, 本研究では空気圧の短所を克服しつつ, 長所を活かした 2 脚ロボットの開発を目指し昨年度ロボットを制作した ( 図.1). 本ロボットでは位置決め精度の改善のために, 空気圧シリンダで 2 関節筋を再現している. 2 関節筋とは,2 つの関節をまたぐ筋配置のことである. 近年の研究から姿勢保持に重要な役割を有していることがわかっている [1]. しかし, 生物と同一の筋配置を完全な再現することは困難である. そのため, 生物の下肢の筋のうち,2 関節筋を含む歩行に関係する筋を簡略化し, 再現した ( 図.2). 2 関節筋は 1 つの関節に複数本の空気圧シリンダを拮抗に配置するため, 関節の駆動には各空気圧シリンダを協調して駆動する必要がある. そこで, 本稿では空気圧シリンダの協調動作の検証を行う. 付随的に, この実験から適した供給圧力を決定する. また, 目標足先位置と実機の足先位置の誤差比較も行なう. 股関節 股関節 ( )+ 収縮伸展伸展 膝関節 股関節 ( )- 伸展収縮収縮 膝関節 ( )+ 収縮伸展任意 膝関節 ( )- 伸展収縮任意 図.1 ロボット外観図 図.2 エアシリンダ配置図 表.1 協調動作 図.3 各圧力下での収束時間 173

180 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 2. 実験股関節 ( 矢状面, 前額面 ) 膝関節を個別に任意の角度に駆動させるために空気圧シリンダ協調動作の伸縮方向 ( 任意, 伸展, 収縮 ) を表.1 のように設定した. 本実験では, この設定を元に遊脚状態で目標足先位置に追従させる動作実験を行う. 指定した目標足先位置と実機足先位置の誤差と収束するまでの時間を確認する. なお, 各関節角が収束したと判断する際の閾値を ±1[deg] 以下にした理由は, これまでの我々の研究から接地時を想定した際の関節角の変位が ±1[deg] であったためである [2]. また供給圧力は,0.3, 0.5, 0.65[MPa] について行う. 4. 結果と考察図.3 に各圧力下で足先位置が収束するまでに要した時間 ( 収束時間 ) を示す. 全ての圧力条件で収束時間に同様の傾向が見られた. 図.4 に圧力 0.5[MPa] の目標足先位置 ( 青いプロット ) と実機足先位置 ( 赤いプロット ) の位置をプロットした画像を示す. 実機足先位置の軌跡はどの圧力においても目標足先位置よりも右側にシフトしている傾向が見られた. また,3,6 番目 (T2;T5) の足先位置が駆動するべき向きと逆方向に駆動する傾向も見られた. 目標足先位置と実機足先位置の誤差は, 大別すると 2 つの原因によって生じている. まず収束判定を関節角度空間において行っている点である. 関節角度空間で ±1[deg] の範囲に収束した場合, 足先位置は最大半径 21[mm] の円の内部に収束する.2 つ目の理由として, 実機と力学モデルのパラメータに誤差が含まれていた可能性がある. 初期位置でいずれの圧力でも x 軸の負方向に約 45[mm] の誤差があり, この誤差が全域にわたって影響していると考えられる. 以上,2 点の理由から駆動方向が逆転した 3,6 番目 (T2;T5) の足先位置以外については妥当な結果だと推察される. さらに, 収束時間と圧力の関係については, 相関を確認できなかった. 流量調整弁 ( スピードコントローラ ) の弁開度が固定のため, 圧力の影響よりも足先位置の移動量に依存していると考えられる. 5. 結言本稿では, 空気圧シリンダの短所を 2 関節筋配置による改善することを試みた. 従来手法では適応できなかったアクチュエータを省略した構成でも 2 関節筋配置の協調動作を構築することができた. また, 供給圧力と足先位置の収束時間の関係を明らかにした. 参考文献 1) 福田, 他 : 筋肉群の協働的励起に基づく立位姿勢制御, ロボティクス メカトロニクス講演会 2013 講演論文集 (ROBOMEC2013),2A1-I06, ) 中村ら : 空気圧シリンダを用いて 2 関節筋を再現した 2 足歩行ロボットの開発, ロボティクス メカトロニクス講演会 2014 講演論文集, 1A1-Q03, 図.4 0.5[MPa] 実験結果

181 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 Mn ドープスピネル型赤色蛍光体の合成と評価 湧井宣考 (M2) Yoshinori Wakui(M2) 宇都宮大学大学院工学研究科物質環境化学専攻 ( 指導教員 ) 単躍進 ( 教授 ) Yue Jin Shan (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科物質環境化学専攻 1. 緒言 組成式 AB 2 O 4 で示されるスピネル型酸化物は, 優れた光学的特性と化学的安定性をもつことか ら蛍光体の母体材料としてよく利用されている. 一方,Mn 賦活剤は可視光域で発光することや 一般的な励起方法で励起可能であるといった特徴から, 発光中心に適しているといえる. このよ うな背景から,Mn ドープスピネル型蛍光体は広く研究されてきた. 例えば,MgAl 2 O 4 :Mn は古くから緑色蛍光体として知られていたが, 近年, 緑色発光と同時に 赤色発光を示すことが報告された. 同様に MgGa 2 O 4 :Mn も緑色 赤色発光を示すことが報告され ている. しかし, このような赤色発光の報告は少なく, そのメカニズムは十分に調査されていな い. また, 緑色 赤色発光を制御するような試みもこれまで行われていない. そこで, 本研究では Mn ドープスピネル型蛍光体 (MgAl 2 O 4 :Mn, MgGa 2 O 4 :Mn) の発光色の制御および発光メカニズムの調査を行うことを目的とした. 2. 理論 ( 研究指針 ) スピネル型酸化物 AB 2 O 4 は四面体 A サイトおよび八面体 B サイトをもつ. 一方,Mn 発光中心 ( ドーパント ) は四面体場, 八面体場でそれぞれ緑色発光, 赤色発光を示すことが知られている. したがって,Mn ドープスピネル型蛍光体は,Mn の占有サイトを意図的に変えることができれば発光色を制御できる可能性がある. 本研究では, ドーパントの占有サイトの制御によって物質の特異な機能を引き出す 結晶サイト工学 の概念に基づき,A サイトの Mg 量を調整することで Mn の占有サイト, つまり発光色の制御を試みた. 3. 実験試料の合成は固相反応法で行った. 原料の MgO,Al 2 O 3,Ga 2 O 3 及び MnCO 3 を Mg x B 2 O 4 :Mn (B = Al, Ga; x = ) となるように秤量 混合し, ºC で 5 時間焼成した. 得られた試料は XRD で相の同定を行った後, 励起 蛍光スペクトルを測定した. また, 発光メカニズムの検討のため, 酸素 窒素雰囲気での合成や硝酸洗浄による過剰 MgO の除去などの実験を行った. 4. 結果と考察 XRD パターンから主に目的のスピネル相が得られたことを確認した.Fig. 1 に得られた試料の 175

182 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 発光の様子を示す.Al 系,Ga 系ともに Mg 欠損試料が緑色発光を示したのに対し,Mg 過剰試料は赤色発光を示した. したがって, 緑色 赤色発光の制御に成功したといえる. Mg 過剰時の赤色発光は八面体 B サイトに入った Mn 2+ または Mn 4+ から生じると考えられる. 赤色発光の起因となる Mn の酸化状態を調べるため,Mg 過剰試料を酸化 (O 2 ) 雰囲気, 不活性 (N 2 ) 雰囲気中で合成した. 酸化 (O 2 ) 雰囲気中で合成した試料の赤色発光が強くなったのに対し, 不活性 (N 2 ) 雰囲気中で合成した試料の赤色発光は弱くなった. したがって, 赤色発光は高酸化状態の Mn 4+ ( 八面体 B サイト ) から生じたと考えられる. 3 価の陽イオンが占有する B サイトを Mn 4+ が置換するためには電荷補償が必要となるが,Mg 2+ は Mn 4+ の電荷補償剤として作用することが知られている. ただし, 本研究で用いた Mg 過剰量は Mn のドープ量に対して 100 倍以上であり, 電荷補償としては明らかに大過剰である. その理由を調べるため, 次の1~3の試料を用意し, 蛍光特性を比較した :[1.Mg 過剰試料,2.1から過剰 MgO を除去した試料,3.2を再焼成した試料( つまり, 過剰 MgO がない状態で焼成した試料 )]. 試料 1,2の蛍光特性に大きな変化はなく,Mn 4+ ( 八面体 B サイト ) の赤色蛍光だけを示した. しかしながら, 試料 3では赤色蛍光強度が大きく減少し, 対照的に緑色蛍光 (Mn 2+ : 四面体 A サイト ) が観測された. この赤色蛍光の減少と緑色蛍光の出現は, 赤色発光中心の Mn 4+ ( 八面体 B サイト ) が緑色発光中心の Mn 2+ ( 四面体 A サイト ) に変化したことを示している. したがって, 過剰 Mg には電荷補償の役割のほかに,Mn 2+ が A サイトに入ることを抑制する効果があったと考えられる. 以上の結果から予想される発光メカニズムを Fig. 2 に示す. 5. 結言 Fig. 1 Mg x B 2 O 4 :Mn (B = Al, Ga) の発光の様子 結晶サイト工学 の概念に基づいた Mg 量の調整により,Mn ドープスピネル型蛍光体 (MgAl 2 O 4 :Mn, MgGa 2 O 4 :Mn) の発光色の制御に成功した. 赤色発光中心は Mn 4+ ( 八面体 B サイト ) であった. また, 過剰 Mg は 1Mn 4+ の電荷補償,2Mn の占有サイト制御 の 2 つの効果をも つことが確認できた. Fig. 2 MgB 2 O 4 :Mn (B = Al, Ga) の発光メカニズム : (a) Mg 欠損時 (b)mg 過剰時 176

183 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 カバノアナタケ菌 IO-U1 株に感染したシラカンバ幼植物体 No.8 における ペルオキシダーゼの MALDI/TOF/MS イメージング解析 宮内優 (M2) Yu MIYAUCHI(M2) 宇都宮大学大学院農学研究科森林科学専攻 ( 指導教員 ) 横田信三 ( 教授 ) Shinso YOKOTA (Professor) 宇都宮大学農学部森林科学科 1. 緒言植物の病害抵抗性には多くのタンパク質が関与しており そのタンパク質の一つとしてペルオキシダーゼがある 植物防御におけるペルオキシダーゼは 傷害や病害によって植物体内で活性化し 抵抗性化合物の重合 木化およびコルク化に関与することで 植物体内への病原体の侵入を防いでいる これまでに 樹木であるシラカンバ (Betula platyphylla var. japonica) およびカンバ類の癌種病菌であるカバノアナタケ (Inonotus obliquus) の実験系を用いて シラカンバの防御機構におけるペルオキシダーゼの役割について研究されてきている その結果 塩基性ペルオキシダーゼが カバノアナタケの感染に対する基礎抵抗性に関わることが明らかにされている 本研究では 等電点電気泳動によるアイソザイム分析を行い 菌感染によって発現する特異的ペルオキシダーゼを検出し マトリックス支援レーザー脱離イオン化飛行時間型質量分析法 (MALDI/TOF/MS) イメージング解析により カバノアナタケ菌 IO-U1 株の感染に対する シラカンバ幼植物体 No.8 の応答機構におけるペルオキシダーゼの役割を さらに解明することを目的とした 2. 実験供試材料として 3 および 6 ヶ月間腋芽培養をした シラカンバ幼植物体 No.8 を使用した 3 ヶ月生シラカンバ幼植物体 No.8 は 頂芽から第 3 節間の部位に傷をつけ カバノアナタケ菌 IO-U1 株を接種した また 6 ヶ月生シラカンバ幼植物体 No.8 は 苗長 1/5 の基部付近に傷をつけ 同じ菌を接種した これらをさらに培養後 2 10 および 30 日目に 菌接種部を採取し タンパク質抽出もしくは横断面切片の作製を行った タンパク質抽出により得られた各タンパク質サンプルを等電点電気泳動に供し 等電点電気泳動後のゲルにペルオキシダーゼ活性染色を施し 菌感染により特異的に発現するペルオキシダーゼのアイソザイムを検出した アイソザイム分析により菌感染特異的ペルオキシダーゼを検出した後 等電点電気泳動後のゲルから菌感染特異的ペルオキシダーゼを溶出し MALDI/TOF/MS を用いて それらのマススペクトルの特徴的な質量電荷比 (m/z) を求めた 得られた m/z 値を基に 菌感染部の横断面切片における菌感染特異的ペルオキシダーゼの分布を解析した 3. 結果と考察傷害および菌感染後 2~30 日目に 塩基性ペルオキシダーゼアイソザイムおよび酸性ペルオキシダーゼアイソザイムが 3 および 6 ヶ月生植物体においてそれぞれ発現した このことから 塩基性ペルオキシダーゼアイソザイムおよび酸性ペルオキシダーゼアイソザイムが 3 および 6 ヶ月生幼植物体における防御機構に それぞれ関与している可能性が示唆された また ペルオキシダーゼアイソザイムの発現パターンは C2 および T 植物体間で異なっており このことは シラカンバ幼植物体における菌感染防御機構が 傷害防御機構と異なることを示唆している 酸性領域における特異的ペルオキシダーゼアイソ 177

184 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 ザイムが 3 ヶ月生幼植物体において認められなかったが 6 ヶ月生植物体では認められたことから 3 および 6 ヶ月生植物体において発現した 塩基性および酸性ペルオキシダーゼは 防御機構において それぞれ異なった機能を有していると推察された MALDI/TOF/MS 分析により得られた 特異的塩基性ペルオキシダーゼアイソザイムのマススペクトルにおける主要 MS ピークの m/z 値を基に 3 ヶ月生幼植物体の処理後 30 日目の各処理区の切片について MALDI/TOF/MS イメージング解析を行った結果 特異的な局在は認められなかった これまでに 菌感染後の 3 ヶ月生シラカンバ幼植物体において 組織内でのペルオキシダーゼの局在が組織化学的に観察されている (Takashima et al. 2013) したがって 本研究において認められた 特異的塩基性ペルオキシダーゼアイソザイムのマススペクトルにおける m/z 値と 既往の研究において観察されたペルオキシダーゼのものとは 異なる可能性が考えられる 4. 結言本研究において MALDI/TOF/MS イメージング解析の結果 特異的塩基性ペルオキシダーゼアイソザイムの特異的な局在は認められなかった これは 今回検出されたペルオキシダーゼアイソザイムと 以前に組織化学的に観察されたペルオキシダーゼとが異なるためと考えられる 今後は 分析用のサンプル量を増やす等の工夫を行い 特異的ペルオキシダーゼアイソザイムの MALDI/TOF/MS イメージング解析をさらに検討する必要がある 謝辞本研究の遂行にあたって MALDI/TOF/MS イメージング解析に御助力を頂いた 京都大学大学院 農学研究科 森林科学専攻 樹木細胞学分野 吉永新准教授 および生物材料化学分野 上高原浩准教授に心より感謝の意を表します 参考文献 1)Takashima Y, Suzuki M, Ishiguri F, Iizuka K, Yoshizawa N, Shinso Y (2013) Cationic peroxidase related to basal resistance of Betula platyphylla var. japonica plantlet No. 8 against canker-rot fungus Inonotus obliquus strain IO-U1. Plant Biotechnology 30:

185 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 オンライン手描き線画への自動彩色 倉田沙織 (M1) Saori Kurata(M1) 宇都宮大学大学院工学研究科情報システム科学専攻 ( 指導教員 ) 東海林健二 ( 教授 ) Kenji Shoji (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科情報システム科学専攻 1. 緒言本研究では, カラー写真のような参照画像を下敷きにして描いた線画に対して自動で彩色を行った絵画を生成するシステムについて提案した 1). 本システムは入力線画を描くための入力画面と彩色結果を表示する彩色表示画面の 2 つの画面から構成される. 入力画面で線画を描くと, 彩色表示画面に実時間で彩色結果が表示されることにより, 絵画の仕上がりを見ながら線画編集作業を行うことが出来る対話性を持つ. 2. 彩色手法 (a) 参照画像 (b) 入力線画 (c) 分割結果 (d) 彩色結果 図 1 彩色例 図 1(a) の参照画像及び, 図 1(b) の線画を入力とし, 以下の手順で彩色を行う. (step1) 入力線画上にサンプリング点を取る (step2) 分割線が入力線画を交差しないという制約のもとでドロネー三角形分割 ( 図 3(c)) (step3) 各三角形の重心位置の参照画像の画素値参照 (step4) 以下の式を用いて隣接三角形間の平滑化 ( 図 3(d)) : 面積, : 画素値 179

186 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 3. 実験試作した手描き線画彩色システムを用いて彩色実験を行う. 画像サイズは 832x624, システムは Microsoft Visual Studio 2010 にて C++ 言語を用いて実装した. 本システムでは線画を描くためのペンとして黒線と赤線を用意している. 前者は描いた描画線が彩色表示画面での黒線表示及び色領域の分割を行う外形線向け, 後者は彩色表示画面には表示されないが, 色領域の分割を行う影やグラデーション変化を付ける補助線向けのペンである. これらを使い分けることで絵画の完成度を高める狙いがある. 4. 結果と考察 図 2 彩色結果 1 図 3 彩色結果 2 図 2, 図 3 に彩色結果をそれぞれ示す. 左上図は参照画像, 右上図は入力線画, 左下は平滑化回数を 100 回とした彩色結果, 右下は平滑化回数を 1000 回とした結果である. 図 2 は比較的少ない線画の描きこみでも十分良好な結果を示すことが出来, 平滑化回数を 1000 回とした場合に全体のぼかしがやや強く犬の模様の色の変化が 100 回のときよりも乏しい結果となった. 図 3 は角型の金色のオブジェの彩色において赤線間の色の変化がやや不自然な結果となったが,1000 回にすると色の変化が少し自然になった. 人工物や動植物など, 描くモチーフによって平滑化回数を変えることで良好な結果を得られるとわかった. また, 線画を描くのにかかった時間は 3~5 分程度であり, 非常に短時間で絵画を作成出来ることがわかった. 5. 結言 参照画像を下敷きにして描いた線画に対して自動で彩色を行った絵画を生成するシステム について提案し, 絵画の初心者でも非常に短時間で彩色された絵画を制作出来ることを示した. 参考文献 1)Saori Kurata, Hiroshi Mori, Fubito Toyama, Kenji Shoji, "Automatic coloring to freehand line drawings in online", Electronic Imaging

187 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 ジヒドロレスベラトロールをコア構造とする新規メラニン形成調節剤の開発 大出知里 (M1) Chisato OODE(M1) 宇都宮大学大学院農学研究科生物生産科学専攻 ( 指導教員 ) 二瓶賢一 ( 准教授 ) Ken-ichi NIHEI (Associate Professor) 宇都宮大学大学院農学研究科生物生産科学専攻 1. 緒言ジヒドロレスベラトロールグルコシド (1) は, ツバキ科植物の Camellia oleifera から単離された天然配糖体である (Figure 1). その構造中には, 既存の強力なメラニン形成阻害剤に見られるレゾルシノール骨格が含まれている. そこで, 新しいメラニン形成阻害剤の開発を目指し,1 およびその構造をさらに単純化したキシロシド誘導体 2 の化学合成を行い, マウスメラノーマ細胞培養系を用いてそれらの生理活性を評価した. その結果,1 はメラニン形成を阻害するのに対し,2 はメラニン形成を促進することが明らかとなった. このような正反対の生理活性は, 糖構造の差異に起因すると判断される. しかしながら, 現在までジヒドロレスベラトロール配糖体は,1 と 2 の二種類しか化学合成されておらず, 詳細な構造 - 活性相関の解析は行われていない. そこで本研究では, 二糖構造を有するセロビオシド 3, キシロビオシド 4 およびウロン酸構造を有するグルクロニド 5 などの糖構造が変化した種々誘導体を化学合成し, 有機化学的なアプローチから, メラニン形成を左右するジヒドロレスベラトロール型生理活性分子の詳細に迫ることを目的とする. 2. 結果と考察 2.1. セロビオシド 3 の合成 ヘプタアセチルセロビオースから誘導したセロビオース供与体 6 と,Wittig 反応および水素添 加反応により合成したアグリコン部分 7 を, ルイス酸であるトリメチルシリルトリフラート 181

188 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 (TMSOTf) 存在下, トリクロロアセトイミデート法を用いてカップリングし, 収率 71% で配糖体 8 を合成した (Scheme 1). テトラブチルアンモニウムフルオリド (TBAF) で,8 の t-ブチルジメチルシリル (TBS) 基を除去し, 全てのアセチル基をエステル交換反応で脱保護して目的のセロビオシド 3 を収率 70%(2 段階 ) で得た キシロビオシド 4 の合成市販のキシロオリゴ糖混合物をアセチル化し, シリカゲルクロマトグラフィーを用いて分離することでヘキサアセチルキシロビオース (9) を得た (Scheme 2). そのアノメリック位のアセチル基をピペリジン処理で選択的に除去し, ヘミアセタール 10 を収率 38% で合成した. さらにトリクロロアセトニトリルを用いて,1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]-7-ウンデセン(DBU) 存在下,10 をイミデート化し, キシロビオース供与体 11 に導いた. トリクロロアセトイミデート法により 11 とアグリコン 7 をカップリングし, 収率 59% で配糖体 12 を得た. この 12 の保護基を全て除去し, キシロビオシド 4 を収率 40% で得た. 3. 結言以上のように本研究では, ジヒドロレスベラトロール配糖体であるセロビオシド 3 およびキシロビオシド 4 を, 短工程かつ高収率で化学合成する経路を確立した. 現在, 逆相 HPLC を用いて, 3 および 4 の精製を行っている. また, グルクロン酸を原料に,1 および 2 の 5ꞌ 位が変化したグルクロニド 5 の化学合成にも取り組んでいる. さらに, マウスメラノーマ細胞培養系を用いてそれらの生理活性の評価を行う予定である. 謝辞 ご助言賜りましたニッコールグループ株式会社コスモステクニカルセンターの島田亙様およ び横田真理子様に感謝申し上げます. 182

189 CDI M1 Satoru Abe M1 Masayuki Iigo (Professor) Takifugu rubripes 1.2% kg 10,000 40, DRD4 DRD4 total RNA SuperScriptII SMART RACE cdna Synthesis Kit cdna DRD4 PCR ,780 DNA AMHR2 PCR High Resolution Melting 1 183

190 CDI cdna 1 DRD4a DRD4b cdna DRD4a DRD4b 1161 bp 386 TMHMM G 3 DRD4a DRD4b 4 DRD4rs DRD4 3 DRD4a DRD4b 2 PCR/High Resolution Melting 16, , g 2, ,000 16,521 = 8, CGA TSHB FSHB LHB POMC TSHR Dio2 GnRH1 GnRH2 GnRH3 cdna 3, 4 184

191 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 新規カルコゲナイドナノシートの合成およびナノシートを用いた材料開発の検討 舟木和詩 (M2) Kazushi FUNAKI (M2) 宇都宮大学大学院工学研究科物質環境化学専攻 ( 指導教員 ) 手塚慶太郎 ( 助教 ) Keitaro TEZUKA (assistant professor) 宇都宮大学大学院工学研究科物質環境化学専攻 1. 緒言ナノシートとは, 2 次元構造が特徴のナノマテリアルであり, 材料開発の観点から 2 つの魅力的な性質を備えている 1 つ目は, 量子効果と呼ばれる低次元化合物特有の現象が発現することで, 通常のバルク物質とは異なる物性が期待できる 2 つ目はナノシートを基にした多彩な材料設計が可能であることである 例えば, ナノシートを敷き詰めることで, 単結晶のような高配向性大面積フィルムを作ることができる 多種が存在するナノシートのうち, 我々はカルコゲン化物ナノシート, 特に層状遷移金属ダイカルコゲナイド ( 以下 TMDs) に注目して研究を行ってきた TMDs ナノシートは, 興味深い電気的, 光学的特性を持つが, これまで研究されてきたのは主として MoS 2 ナノシートであり, 一方で TiS 2 ナノシートは高い熱電変換特性を示す [1] など興味が持たれるが未だ研究が進んでいない また,2 種類以上の金属イオンを含む TMDs の置換型固溶体ナノシートは物性を組成によりチューニングすることを可能にするが研究事例が少ない 本研究では,MoS 2,WS 2, および TiS 2 の置換型固溶体を対象に, まず前駆体となるバルクを合成し, それを剥離することでナノシート化した さらに, 新材料の開発を目指し, 得られたナノシートを再積層させて大面積フィルム化する検討を行った 2. 実験 TMDs 多結晶 ( バルク ) の合成バルク前駆体の合成は封入管法で行い, 電気炉で焼成した 液相剥離によるナノシート化極性有機溶媒と超音波による方法と Li イオンインターカレーションによる方法の 2 つを用いた 剥離したナノシートは, コロイドとして得ることができた ナノシートのキャラクタリゼーションには,TEM,AFM, および UV-VIS 等を用いた ナノシートの再積層フィルム化ナノポアメンブレンを用いた吸引濾過により, ナノシート再積層フィルムをメンブレン上の堆積膜として得た 185

192 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 3. 結果と考察固溶体バルク合成が合成できたのは,Mo 1-x W x S 2 (0 x 1),Mo 1-x Nb x S 2 (x = 0.60, 0.80),W 1-x Nb x S 2 (x = 0.75),Ti 1-x Nb x S 2 (x = 0.25, 0.50), および Ti 1-x Ta x S 2 (x = 0.25, 0.50, 0.75) である 固溶体が合成できたこれらの組成を用いて剥離ナノシート化を検討した 次に, 剥離ナノシート化の結果を示す 極性有機溶媒と超音波による方法を用いることで, 合成できた全ての組成について剥離ナノシート化することができた UV-VIS による分析の結果, Mo 1-x W x S 2 系,Mo 1-x Nb x S 2 系, および W 1-x Nb x S 2 系で置換量に依存したスペクトルの変化が測定された このことは, ナノシートのバンドチューニングに成功したことを証明する TEM によって得られたナノシートを観察すると,Mo 0.5 W 0.5 S 2,Ti 0.5 Nb 0.5 S 2, および Ti 0.5 Ta 0.5 S 2 の組成では, 横サイズ 200 nm ほどの比較的大きなナノシートを得ることができた 一方,Mo 0.4 Nb 0.6 S 2 および W 0.25 Nb 0.75 S 2 の組成では, 横サイズ 100 nm 以下の小さなナノシートのみ確認できた 得られたナノシートの厚さは,AFM によって測定した 全ての組成で 10 nm 前後の高さを持つ剥片を確認した モノレイヤーナノシートは確認することができず, 全てマルチレイヤーであった 極性有機溶媒と超音波による剥離法は, 得られるナノシートの横サイズが小さく, モノレイヤーの割合が少ないため [2], より質の良い TMDs 固溶体ナノシートの合成を目指して,n-BuLi を用いた Li イオンインターカレーションによる剥離法を検討した Fig. 1 は, この剥離法で合成した Mo 0.5 W 0.5 S 2 ナノシートである 得られたナノシートの横サイズは, 最大で 1 m ほどあり, 薄いものは 1.5 nm 程度まで剥離されていた これは, TMDs 数層分に相当すると思われる 吸引濾過により,Mo 0.5 W 0.5 S 2 ナノシートの緻密な再積層フィルムを作ることができた XRD および SEM による分析の結果, 得られたフィルムが高い配向性を有していることが分かった 200 nm Fig. 1 Li イオンインターカレーション法で剥離した Mo 0.5 W 0.5 S 2 ナノシート 4. 結言極性有機溶媒と超音波による方法および Li イオンインターカレーションによる方法の 2 種類の液相剥離法を用いて,MoS 2,WS 2, および TiS 2 の置換型固溶体ナノシートを合成した さらに, ナノシート分散液の吸引濾過により,Mo 0.5 W 0.5 S 2 ナノシートを再積層させて高配向性フィルムを生成した 参考文献 1)V. Nicolosi et al., Science, 340 (2013), )J. N. Coleman et al., Science, 331 (2011),

193 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 アルミニウム合金 / プラスチックの異材摩擦攪拌接合技術の最適化 清水奈緒美 (M2) Naomi SHIMIZU(M2) 宇都宮大学大学院工学研究科機械知能工学専攻 ( 指導教員 ) 高山善匡 ( 教授 ) Yoshimasa TAKAYAMA ( 教授 ) 宇都宮大学大学院工学研究科機械知能工学専攻 1. 緒言近年 環境負荷低減あるいはエネルギー消費削減を目的に 輸送機器の軽量化が進められ 軽量素材への置換が年々増加している この置換は強度やコスト成形性などの面から部分的に行われるため 異種材料間の接合が不可欠な技術として注目されている 本研究ではツールオフセット量に着目し 5052Al とプラスチックの異材摩擦攪拌接合における最適条件を明らかにした 2. 実験 試料として 5052-H34 Al 合金と プラスチックとして自動車用材料を想定し 高密度ポリエチ レン (HDPE) ポリプロピレン (PP) ABS 樹脂 (ABS) ポリアセタール (POM) を用いた 厚さ 2mm の板材を使用して突合せ FSW を行った AS に 5052Al RS にプラスチック材料を配し 突合せ FSW を行った また 接合後試料に引張試験と 熱分析として熱重量測定 (TG/DTA) および示差 走査熱量測定 (DSC) を行った FSW ツール形状はショルダ径 8mm プローブ径 3mm プローブ 長さ 1.7mm である FSW 条件を表 1 に示す 実験装置の都合上 送り速度は材料によって変化 する 本研究でのオフセット量の表記は 異材突き合わせ面の位置を 0 としツールを AS 側に寄 せる場合をプラス RS 側に寄せる場合をマイナスとする 接合時温度測定位置は接合開始位置 から 60mm 85mm 接合した位置で それぞれ突き合わせ面に 1 点と それぞれの突き合わせ面 から AS 側 RS 側それぞれに 4mm 間隔で 2 点ずつ設定した ( 図 1) 表 1 FSW 条件 Rotation speed(rpm) 2580 Indentation(mm) 1.8 Tilt angle( ) 3 holding time(s) 15 Offset(mm) -1.00/-0.50/0.00/+0.50/+1.00 Feeding speed(mm/min) 167~184 図 1 接合時の温度測定位置 4. 結果と考察 オフセット量 0.00mm では すべての材料の組み合わせで接合ができた また 図 2 に 5052Al/POM のオフセット量 0.00mm と +1.00mm の温度測定結果を示す オフセットを AS につ 187

194 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 けることで 接合時の最高温度が上昇していることがわかった これは より硬い 5052Al の攪拌割合が増えたことにより 入熱が増えるためと理解できる また オフセット量 +1.00mm では最高温度が 304 に達した POM の分解開始温度は 265~280 であるため この場合では接合中に熱分解が進行していると思われる 熱分析においては 母材と撹拌部において DSC 曲線に大きな変化はなく FSW の前後で材料の健全性が保たれていることがわかった しかし 撹拌後の融点はやや低いことが示された 結晶化度に変化はほとんどないことから 撹拌による応力によって多少の分子量低下が起きている可能性が考えられる 表 2 に各条件での継手の引張試験結果と そこから算出した継手効率を示す いずれも 12% 程度の継手効率となった POM との接合のみ 他と比べ半分程度の継手効率となっている これは 他材料ではみられなかった気泡の発生が関係していると思われる オフセット +1.00mm の場合 0.00mm の場合と比べて継手効率が低くなった これは 高い入熱によりプラスチック材料の一部が気化したためではないかと考えられる PP との接合では オフセット +1.00mm の場合最高温度が 200 程度になっており これは PP の融点を超えている また POM との接合のみやや継手効率の上昇がみられた 同条件は接合時の温度が POM の分解温度を超える唯一の条件であるため 特殊な結果であると理解できる 表 2 引張試験結果と継手効率 Offset=0.00mm Offset=+1.00mm Material Tensile strength Welded efficiency Tensile strength Welded efficiency (MPa) (%) (MPa) (%) 5052Al+HDPE 図 Al/POM の接合時温度測定結果 ( 左 : オフセット 0.00m 右 : オフセット +1.00mm) 5052Al+PP Al+ABS Al+POM 結言 5052Al 合金と 4 種類の熱可塑性プラスチック材料の突合せ FSW により接合ができた しかし オフセット量をマイナスにとりすぎると入熱不足により接合ができなくなるものと思われる オフセットを AS につけることにより接合時の最高温度が上昇した 熱分析結果から FSW 後にプラスチック材料の融点がやや下がっていることがわかった 結晶化度に変化はほとんどみられないことから 攪拌による応力で多少の分子量低下が起こっている可能性がある 今回の実験の範囲では HDPE, PP, ABS との接合ではオフセットをつけることにより継手効率が低下した 5052Al/POM でオフセット量 +1.00mm の場合のみ接合強度が上昇したが 接合時 POM の分解温度を超えており 特殊な結果といえる 謝辞 本研究を行うにあたり 木村隆夫教授には 熱分析や高分子に関しまして 丁寧なご指導 ご 援助賜り誠にありがとうございました この場をお借りして深く感謝し 厚く御礼申し上げます 188

195 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 牛乳の混合発酵における Enterococcus faecalis の Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus 増殖促進作用 土居寛幸 (M1) Hiroyuki DOI(M1) 宇都宮大学大学院農学研究科生物生産科学専攻 ( 指導教員 ) 前田勇 ( 准教授 ) Isamu MAEDA (Associate Professor) 宇都宮大学大学院農学研究科生物生産科学専攻 1. 緒言国際規格の二種のヨーグルト菌の間には増殖を促進し合う作用がある これを参考に 研究室で単離された Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus( 以下 Lb) と Enterococcus faecalis( 以下 Ef) の二菌で混合発酵を行ったところ Ef によって Lb の増殖が促進される様子が見られた Ef は花粉症軽減やインフルエンザ予防等の効果があると報告されている菌である その効果に注目し Ef を用いて製品化が可能なレベルでのヨーグルト発酵はできないかと考えた 本研究では Ef と Lb を混合発酵した際の相互作用のメカニズム 特に Ef が産生する Lb の増殖促進に寄与する物質を特定することを目的とする 2. 実験殺菌済市販乳に Ef を 2% 濃度で植菌し 嫌気条件で 42 6 時間の発酵を行った 10,000rpm 4 5min の遠心分離後 孔径 0.45µm のフィルターでろ過し Ef 上清を作製した 1 カラムクロマトグラフィーの各分画における発酵試験 50mM Tris-HCl 1M NaCl-50mM Tris-HCl を溶離液とし Ef 上清を強陰イオン交換カラム 流速 2mL/min のカラムクロマトグラフィーにかけ 20 本の分画を作製した 10~16 本目を殺菌済市販乳 6mL に対して 1mL 添加後 Lb を 2% 植菌し 42 嫌気条件での発酵試験を行った また 併せて F-キットギ酸を使用し ギ酸濃度測定も行った 2 エステル化と GC/MS 1で作製した各サンプルについて トランスエステリフィケーション試薬を用いてメチルエステル化 またはエチルエステル化し GC/MS での測定を行った 3. 結果と考察 1 分画のうち 本目に強い活性 10 本目に弱めの活性が現れた またギ酸濃度は 10 本目が最も高く 本目ではほとんど検出されなかった 以上からギ酸以外の増殖促進物質も存在し 本目の 分画に溶出されていると思われる ( 図.1) 0 上清を 1 とした際の相対的な促進活性強度 0 増殖促進活性とギ酸濃度 1 増殖促進活性 0.9 ギ酸濃度 Ef 上清分画 図 1. 各分画の増殖促進活性とギ酸濃度 ギ酸濃度 (g/l) 189

196 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 3 Ef 上清や 作製した各分画の内 増殖促進活性を示したものにおいてメチルエステル化した際には 16.76min の位置に MS スペクトル という値を示す特徴的なピークが観察された ( 図.2) また このピークはエチルエステル化した際には 18.98min の位置に現れ MS スペクトルはそれぞれ へとシフトした ( 図.3) この結果を見ると は 14 増加して となり 175 は 28 増えて 203 となっている 以上から検出された物質はカルボキシ基部位が二か所存在するジカルボン酸の一種であると思われる 図 2. 5 倍希釈メチルエステル化 E. faecalis 上清の GC/MS での保持時間と MS スペクトル 図 3. 5 倍希釈エチルエステル化 E. faecalis 上清の GC/MS での保持時間と MS スペクトル 4. 結言今回の試験において増殖促進活性が陰イオン交換カラムで分離され ギ酸濃度の低い分画においても増殖促進活性が見られた 以上のことから E. faecalis はギ酸以外にも増殖促進活性のある物質を産生していることが確認され 目的物質は陰イオン性の物質であると予想される また メチルエステル化した分画の GC/MS による解析で検出された 16.76min MS スペクトル ,175 という特徴的なピークを生じる物質は メチルエステル化及びエチルエステル化した際の挙動からジカルボン酸の一種であると予想される しかし 今回の試験ではこの物質の特定にまでは至らず 増殖促進活性に関わるものであるか確認することはできなかった 今後はこの物質の特定を行い 単独添加で L. bulgaricus 発酵試験を行うことで 増殖促進活性を確認する また 今回の試験では一種類の物質に焦点を当てて試験を行ったが 検出できていない物質が他に存在すると思われるため それらを分離 検出する方法についても検討していく 190

197 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 赤外線センサを用いた 3 次元モデリングシステムの提案 八木美冴 (M1) Misae YAGI(M1) 宇都宮大学大学院工学研究科情報システム科学専攻 佐藤美恵 ( 准教授 ) Mie SATO (Associate Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科情報システム科学専攻 1. 緒言近年, 物体の 3 次元形状を印刷することができる 3D プリンターが一般的に販売されるようになった これに伴い, 印刷したい物体の 3 次元形状をモデリングするシステムが開発されている しかし, これらのシステムでは 3 次元形状を作成するために操作方法の習熟が必要となる そこ で, ユーザが直観的に 3 次元形状をモデリング可能なシステムが研究されている 関連研究 はグローブ型の手形状入力装置を用いてユーザの手の動きを取得し, ユーザが仮想空間で手を動かすことで仮想物体を変形するシステムを実現した しかし, このシステムはユーザに装置の装着による重さや違和感を与える可能性がある 本研究では 3 次元形状の作成をより容易にすることを目的とし, 赤外線センサを用いてユーザが素手で直観的に 3 次元形状をモデリング可能なシステムを検討する 1) で 2. 理論本システムは RGB カメラ (Logicool Pro WebCam c920) を取り付けた 3D ディスプレイ (BenQ XL2420Z),3D メガネ (NVIDIA 3D Vision wired glasses),3 次元計測器 (LeapMotion),PC から構成されている RGB カメラからユーザの頭部の位置を取得し, ユーザの視点に合わせた映像表示を行う ユーザの視点が上下左右に動いた場合には, 移動に合わせて CG の描画領域を変更する 仮想物体は立体表示しており,3D ディスプレイより前方に 20cm の位置に飛び出して見える 赤外線センサからユーザの手の位置を取得し, 仮想物体との衝突を判定する ユーザが仮想物体に手で触れた場合に仮想物体の形状が変化する また, 赤外線センサで手のジェスチャを認識し, 指を伸ばした状態で直線を描く動作であるスワイプが検出された場合に物体を回転させる 3. 実験本システムにおいて変形しやすい仮想物体の硬さを調査するため, 被験者 5 人に対して評価実験を行った 被験者に球を直方体に変形するタスクを課し, 変形が終わった後に物体の硬さに関する質問に回答してもらった 質問内容は,Q1 柔らかいと感じたのはどちらの物体ですか?, Q2 変形しやすかったのはどちらの物体ですか? とした 物体の硬さは, 柔らかい, やや硬い, 硬いの 3 種類から 2 種類の硬さ A,B を選んだ 3 通りの組み合わせをランダムな順序で提示した 191

198 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 4. 結果と考察 Q1 に対する結果を図 1 に,Q2 に対する結果を図 2 に示す 評価は 1.A,2. どちらかと言えば A,3. どちらとも言えない,4. どちらかと言えば B,5.B の 5 段階であり, どちらかと言えば A は A に, どちらかと言えば B は B に含めて集計してある 図 1 の結果から, 柔らかい物体と比較した場合には物体の硬さの違いが分かりやす図 1 Q1 に対する結果く, 物体の硬さを正しく判断できている被験者が多かったと言える しかし, やや硬い物体と硬い物体を比較した場合には, 回答数が比較的変わらないことから, 被験者は物体の硬さにあまり差を感じなかったことがわかる 図 2 の結果より, 柔らかい物体よりも固い物体の方が変形しやすいことが示唆される 柔らかい物体の場合は, 手を触れたときに予想以上に形状が変化したために硬い図 2 Q2 に対する結果物体の方が変形しやすいと回答した人数が多くなったと考えられる 一方で, 硬い物体の場合には手を触れても形状の変化が小さく, 何度も物体に触れる必要があったことから, 柔らかい物体の方が変形しやすいと答えた人もいたと考えられる 5. 結言本研究では 3 次元形状のモデリングをより容易にすることを目的に, ユーザが素手で仮想物体の形状を変形することが可能なモデリングシステムを検討した 評価実験の結果から, ユーザが硬さを正確に知覚できるのは柔らかい物体であることがわかった また, ユーザが変形しやすい物体はより硬い物体であると考えられる 今後の課題として, 被験者数を増やして実験を行うことやモデリングシステムとしての 3 次元形状を操作する機能を増やすことが挙げられる 参考文献 1) 松宮雅俊, 竹村治雄, 横矢直和 : 自由形状モデリングのための陰関数曲面を用いた仮想 粘土細工システム, 映情学誌,Vol.42,No.5,pp (2001) 192

199 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 Ni-W-P 合金めっきのアルカリ水電解用カソードとしてのパフォーマンスの検討 浅沼健太 (M1) 宇都宮大学大学院工学研究科学際先端システム学専攻 ( 指導教員 ) 吉原佐知雄 ( 准教授 ) 宇都宮大学大学院工学研究科学際先端システム学専攻 1. 緒言現在 環境問題や化石燃料の枯渇問題からクリーンなエネルギーとして水素が注目されている 特に 水電解による水素製造は その資源がほぼ無限であり使用しても有害な物質を排出しないなど多くの利点が存在する 水素は 既に家庭用燃料や燃料電池として普及し始めており また今後 燃料電池自動車の普及や 電力を水素として貯蔵する事による自然エネルギー発電の安定供給化など 水素の需要は大きくなると考えられる しかし 水素エネルギーの更なる普及には その水素製造単価の低減が必要となる 高性能なカソード電極を開発する事は 水素製造における装置設備コスト ランニングコストを低減し 水素製造単価の低減に繋がるものである 本研究は アルカリ水電解用の高性能な電極の開発を目的としている SUS 基板上に Ni W P を基本組成とするアモルファス合金を電析させる事で 高耐食性 水素発生に関する触媒活性の高く 安価なカソード電極が得られると期待される 実験内容は 各合金めっき作製 LSV 水素発生量 電解電位及び電解電流の測定より合金めっき電極のアルカリ水電解におけるカソード特性の評価を行った また SEM EDX XRD による表面解析を行った 2. 理論本研究で用いた電極材料の選定理由を示す Ni: 比較的水素過電圧が小さく 耐アルカリ性に優れる W:Ni との合金化により水素発生反応に対する交換電流密度が上昇する P:Ni との合金化でアモルファス化 水素発生反応に対する交換電流密度が上昇する 1) また合金を アモルファス構造化することにより 酸化皮膜の再生速度が高くなり 腐食の起点の 結晶粒界が存在しない事から高耐食性を有する合金になると期待される 3. 実験 3.1 合金めっき電極の作製ステンレス (SUS430) 基板に前処理を施した後 作用面積 4 cm 2 とし めっきを施した 各合金めっき浴組成を下に示す (1) Ni-W-P:NiSO 4 :0.2 mol/dm 3 H 2 NaPO 2 :0.1 mol/dm 3 Na 2 WO 4 :0.2 mol/dm 3 NH 3 (C 3 H 5 O(COO) 3 ) :0.4 mol/dm 3 (2) Ni-P:NiSO 4 :0.76 mol/dm 3 NiCl 2 :0.19 mol/dm 3 H 2 NaPO 2 :0.94 mol/dm 3 H 3 BO 3 :0.57 mol/dm 3 (3) Ni-W:NiSO 4 :0.11 mol/dm 3 Na 2 WO 4 :0.21 mol/dm 3 C 3 H 5 O(COOH) 3 :0.38 mol/dm LSV 測定 30wt%KOH 水溶液を電解液 参照電極に飽和 Ag/AgCl 電極 対極に Pt メッシュを用いて 0 V~ V の走査範囲で LSV 試験を行った. また カソード電流密度が 5 ma/cm 2 を超えた時の電位を水素発生電位とし 水素の理論電解電位との絶対値の差を水素過電圧とし 腐食電位 腐食電流密度をターフェル外挿法より求めた. 193

200 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 3.3 電解試験 30wt% KOH 水溶液を電解液として H 字管を用い対極を Ni 板とし電解試験を行った. 予備電解を行った後 条件を電流密度 5 ma/cm 2 電解時間 1 時間とした定電流電解を行った. この時の水素発生量から電流効率 電解時の平均電解電圧から電圧効率を算出し 電流効率と電圧効率の積からエネルギー効率を求めた. 表 1 電解試験結果 4. 結果と考察 Ni-W-P Ni-P Ni-W 電解試験の結果を表 1 に示す 水素発生量電流効率 は 各電極共に等しく 電流効率は理論値に (%) 近い値を示した 電圧効率は 電極材料ごと電圧効率 に差が見られ Ni-P 電極が最も高い値を示し (%) た エネルギー効率は 電圧効率の差からエネルギー Ni-P が最も高い値となった Ni,W,P の三成分効率 (%) を合金化した Ni-W-P の電解性能の大幅な向上は認められなかった Ni-P の触媒活性が高かった要因として 皮膜の吸蔵水素量の影響が考えられる 皮膜中に水素が吸蔵されることにより触媒活性が向上するとの報告があり 2) Ni-P は皮膜に多量の水素を吸蔵出来たため触媒活性が向上したと考えられる Ni-W-P では 皮膜に W が加わったことにより電気化学的構造が変化し水素吸蔵量が減少したものと考えられる 次に LSV 試験結果のターフェルプロットを図 1 に示す Ni-W は アノード電流密度が小さく Ni-P はカソード電流密度が小さい W,P 両成分を含有した Ni-W-P は図 1 LSV 測定結果 ( ターフェルプロット ) アノード電流密度 カソード電流密度が 共に比較電極より小さい事から最も高い耐食性を有していると考えられる 5. 結言 LSV 電解試験の結果から Ni-P が最も高い水素発生に対する触媒活性を有していると言える Ni,P,W を三元系合金とすることによる電解性能の大幅な向上は確認できなかった 耐食性に関しては Ni-W-P は Ni-P Ni-W と比較して腐食電流密度が小さい事が確認でき 高い耐食性を有していると言える 特に Ni-W-P は 実環境における電解装置の機能停止時などで発生する腐食に対して強いと考えられる 謝辞 本研究を進めるにあたり 共同研究としてご協力いただきました鈴木大介氏 鈴木和芳氏をはじめ とする株式会社バンテックの皆様に感謝いたします 参考文献 1)Z.D. Wei, A.Z. Yan, Y.C. Feng, L. Li, C.X. Sun, Z.G. Shao, P.K. Shen, Electrochemistry Communications 9, (2007) 2)Trygve Burchardt, The,hydrogen evolution reaction on NiPx alloys,international Journal of Hydrogen Energy 25, (2000) 194

201 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 ウシ顕微授精時の精子注入ピペットによる物理的ダメージが その後の胚発生に及ぼす影響 山本千晶 (M1) Chiaki Yamamoto(M1) 宇都宮大学大学院農学研究科生物生産科学専攻 長尾慶和 ( 教授 ) Yoshikazu Nagao (Professor) 宇都宮大学大学院農学研究科生物生産科学専攻 1. 緒言ヒト生殖補助医療として様々な技術が開発されてきた 特に 1978 年の英国における世界初の体外受精産子の誕生は画期的であった 近年はさらに 精子の受精能に関係なく受精卵を得ることが可能な顕微授精技術 (Intracytoplasmic sperm injection : ICSI) が開発され 男性不妊症の増加に伴い適応例は著しく増加している しかしながら ICSI には 胚発生率や妊娠率が低く 流産率が高いといった課題が残されている その原因には 卵子内に注入される精子の状態や胚培養時の培養気層の酸素濃度など様々な理由が考えられる 顕微授精においては ピペットの刺入により強制的に精子を注入するため 精子注入時のピペットによる物理的ダメージが少なからずその後の胚発生に影響を及ぼしていると考えられるが これまでにそのダメージについて詳細には検討されてこなかった そこで本研究では 精子注入にともなうピペットによる物理的ダメージが その後の胚発生に及ぼす影響を明らかにすることを目的として ウシ卵子を用いてモデル実験を行った 2. 実験方法精子にはウシ凍結融解精子を用い Percoll 液による洗浄後 methyl-β-cyclodextrin を添加した Bracket と Oliphant の限定培地 (BO 液 ) にて前培養後に実験に供試した と畜場にて採取してウシ卵巣から卵丘卵子複合体を採取し ホルモンを添加した medium199 中で 24 時間成熟培養した 成熟培養後にピペッティングとボルッテクスミキサーにより卵子周辺の卵丘細胞を除去し 第一極体を放出した卵子を実験に供試した 倒立顕微鏡のステージ上のプラスチックディッシュ内の修整合成卵管液微小滴中に卵子を導入した 卵子へのマイクロピペット刺入操作はピエゾドライブユニット ( エッペンドルフ ) を取り付けたピエゾマイクロマニュピレーターを用いてピエゾパルスをかけて行った ピペット刺入操作について 以下の 3 区を設定して行った 1 対照区 : 透明帯のみを穿孔した 2 ストレート区 : 透明帯穿孔後 ピペットを細胞質へ真っ直ぐに刺入し 細胞膜を穿孔後に真っ直ぐに引き抜いた 3S 字区 : ストレート区と同様に細胞膜を穿孔後 ピペットを S 字状に動かしてから引き抜いた 刺入操作終了後の卵子は直ちに BO 液中へ移し 前培養を終えた精子を媒精した 媒精 18 時間後 一部の卵子を 4% パラホルムアルデヒド液と DAPI により固定染色して受精状況を観察した 195

202 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 3. 結果と考察総受精率および正常受精率については 対照区に比べてストレート区および S 字区で低い傾向が観られた ( 表 1) 変性卵率については 対照区に比べてストレート区および S 字区で高い傾向が観られた 表 1. ウシ成熟卵子へのマイクロピペット刺入操作がその後の受精に及ぼす影響 * * * 実験区 供試卵数 総受精卵数 (%) 正常受精卵数 (%) 変性卵数 (%) 対照区 14 8(57.1) 7(50.0) 0(0) ストレート区 22 4(18.2) 2(9.1) 1(4.5) S 字区 19 5(26.3) 3(15.6) 3(15.6) *% は各状態の卵数 / 供試卵数 100 ストレート区および S 字区において 対照区と比較して変性率が高いことから マイクロピペットを刺入することは 卵子へ何らかの物理的ダメージを与えることが示唆された また ストレート区および S 字区は 対照区と比較して総受精率が低く異常受精率が高いことから 成熟卵子へのマイクロピペットの刺入はその後の受精に悪影響を及ぼすことが示唆された 細胞膜は細胞を取り巻き 細胞内の環境を一定に保つ重要な働きがあることに加え 流動モザイク構造といった構造が細胞外界の媒質と細胞との間の物質の移動に対して重要な役割を担っている ( 伊藤,1980) したがってピペットによる損傷はその後の細胞の生存能を大きく低下させた可能性が考えられる 今回 変性卵と判定された卵の多くは ピペット刺入操作直後に穿刺孔からの細胞質の脱出が観察されたものであった これには ピペット操作技術の未熟さも関与しているとは思われるが ピペット刺入による細胞膜の損傷が直接的に あるいは細胞質の 質 の低下を通して間接的に 卵の生存性や受精能に影響した可能性が考えられる ストレート区と S 字区の間で 総受精率および正常受精率に大きな差は見られなかった このことから 刺入後のピペットの動作が卵細胞質に対して直接的に及ぼす影響はそれほど大きくないことが示唆された 4. 結言本研究は ICSI 時のマイクロピペット刺入操作の影響を 注入された精子の状態や 精子と共に注入される培養液の影響を排除して検討することを目的としたものである 今回の結果より 卵子へのマイクロピペットの刺入は 受精率を低下させ 変性率を上昇させる可能性が示唆された その原因として 細胞膜の損傷の影響が考えられた しかしながら マイクロピペットの刺入後の動作による物理的ダメージは少ないことが示唆された 参考文献 伊藤隆.(1980). 組織学. 南山堂 東京 pp

203 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 タンパク質間相互作用を可視化する超高輝度蛍光イメージングシステムの開発 藤井雄太 (M1) Yuta Fujii(M1) 宇都宮大学大学院農学研究科生物生産科学専攻 ( 指導教員 ) 児玉豊 ( 准教授 ) Yutaka Kodama (Professor) 宇都宮大学大学院農学研究科生物生産科学専攻 1. 緒言タンパク質間相互作用は生命現象を制御する重要な生体反応であり がん治療薬などの創薬ターゲットとして注目されている これを解析するために 蛍光タンパク質を利用した二分子蛍光補完法が用いられる 二分子蛍光補完法は一般に BiFC(Bimolecular Fluorescence Complementation) 法と呼ばれ タンパク質間相互作用を蛍光シグナルとして検出することで細胞内における相互作用部位が可視化できる しかし 細胞内に限られた量しか存在しないタンパク質間の相互作用を可視化するため 得られる蛍光は微弱であることが多い また 擬陽性蛍光を評価する技術が確立されていないために解析が難しく 更なる技術開発が必要とされている そこで本研究では 高輝度かつ高感度な多色の BiFC 法を用いたタンパク質間相互作用可視化システムの確立を目的とし 緑色蛍光タンパク質 GFP(Green fluorescent protein) と 橙色蛍光タンパク質 KO(Kusabira Orange) に基づく BiFC 法の蛍光強度を評価した また BiFC 法を高感度化するため 偽陽性蛍光を評価するための技術を開発した 2. 理論 BiFC 法では 蛍光タンパク質を二つの断片に分断し それぞれを解析したいタンパク質に融合させる 細胞内で二つの融合タンパク質が近接すると 蛍光タンパク質の立体構造が再構築され 蛍光を生じる ( 図 1) しかし 観察される蛍光には蛍光タンパク質断片の無作為な衝突による擬陽性蛍光が含まれるため ( 図 1) 陽性蛍光と偽陽性蛍光を判別する必要がある そこで 偽陽性蛍光を判別する技術として BiFC 競合分析を開発した BiFC 競合分析は 競合タンパク質による BiFC 反応の阻害に基づく手法である ( 図 2A) 目的のタンパク質間相互作用を競合的に阻害し 陽性蛍光を選択的に低下させることで 偽陽性蛍光を見積もることができる ( 図 2B) 197

204 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 3. 実験 (1) 高輝度な BiFC 法の選抜植物細胞のタンパク質発現系を用いて 4 種類の GFP 変異体と3 種類の KO 変異体の蛍光強度を比較した これらの蛍光タンパク質変異体に基づく BiFC 法の蛍光強度を カフェイン生合成経路タンパク質の二量体形成を指標としたモデル実験系を用いて 蛍光顕微鏡画像から定量解析した 橙色 BiFC 法に関しては 学部 4 年生 ( 吉村彩香氏 ) を指導して共に実験を行った (2) 偽陽性蛍光の評価技術の開発競合タンパク質を発現するためのプラスミド DNA を構築し 植物細胞のタンパク質発現系を用いて BiFC 競合分析を行った BiFC 競合分析のモデル実験系として (1) の実験で選抜した最も高輝度な GFP 変異体と KO 変異体に基づく BiFC 法を用いた BiFC 法を行う際に 過剰量の競合タンパク質を共発現し 蛍光強度を定量した 4. 結果と考察定量解析の結果 sfgfp(superfolder GFP) と mko2 (monomeric KO2) に基づく BiFC 法が最も高輝度であったため これらの BiFC 法が最適とわかった sfgfp と mko2 に基づく BiFC 法を用いて BiFC 競合分析を行ったところ 過剰量の競合タンパク質の共発現により どちらの BiFC 反応も阻害され タンパク質間相互作用を確実に示す結果が得られた これらの結果から 本研究で開発したタンパ psgfp egfp frgfp sfgfp 5µm 相対蛍光強度 12" 10" 8" 6" 4" 2" 0" psgfp egfp frgfp sfgfp 図 3. GFP 変異体に基づく BiFC 法の蛍光強度比較 ク質間相互作用可視化技術は タンパク質間相互作用を正確 に判断するために極めて有用であると考えられる 5. 結言本研究では 極めて明るい蛍光を発する緑色および橙色 BiFC 法を選抜し 高輝度なタンパク質相互作用バイオイメージングを実現した また 偽陽性蛍光の判別技術を確立し BiFC 法の高感度化に成功した 緑色 BiFC 法に関する研究成果を論文としてまとめた (Fujii and Kodama, Plant Biotechnol, in press) 橙色 BiFC 法に関しては 第 4 回宇都宮大学オプトバイオシンポジウムで優秀ポスター賞を受賞した BiFC 法は様々な学術領域や産業領域に広く普及しているため 本研究成果は 異分野融合研究や産学連携の促進にもつながると考えられる 謝辞橙色 BiFC 法の開発を共に行ってくれた吉村彩香氏に感謝したい 参考文献 1)Yuta Fujii, Yutaka Kodama (2015) In planta comparative analysis of improved green fluorescent proteins with reference to fluorescence intensity and bimolecular fluorescence complementation ability. Plant Biotechnol (in press) 198

205 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 3D ディスプレイのための大規模計算機ホログラム生成の GPU による高速化に関する研究 宮田裕章 (M2) Hiroaki MIYATA(M2) 宇都宮大学大学院工学研究科情報システム科学専攻 ( 指導教員 ) 大津金光 ( 准教授 ) Kanemitsu OOTSU (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科情報システム科学専攻 1. 緒言完全な 3 次元立体表示を可能とする 3D ディスプレイの実現する手段として, CGH( 計算機ホログラム ) が期待されている. しかし, 短時間での CGH 生成が難しいという課題によって, 現在で も CGH による 3D ディスプレイの実用化には至っていない. 本研究では, オブジェクト分割法 による CGH 生成を GPU(Graphics Processing Unit) によって高速化する. また, 複数の GPU を用いて並列分散処理を行うことで, さらなる高性能化を図る. 1) 2. 理論オブジェクト分割法では CGH の元となる物体データ ( オブジェクトデータ ) を複数のサブオブジェクトへ分割する. この分割したサブオブジェクトからサブ CGH を生成する. 各サブオブジェクトから生成されたサブ CGH を重ね合わせ 1 つに統合することで最終的な CGH を得ることができる. 複数のサブオブジェクトからサブ CGH を生成するまでの処理は独立しており, 並列処理が可能であるため, ノード間の相互通信が削減できる. オブジェクト分割法ではサブオブジェクトごとに別の GPU を割り当てることで並列分散処理を行い, 高速化を図る. 3. 実験 FFT のみで CGH を生成する手法 (Transpose Split Method : TS 法 ) を従来手法とし, 従来手法と提案手法の CGH 生成に掛かる実行時間を比較することで評価を行う. 複数の GPU を使用する実験環境を 2 通り用意し, それぞれの環境で実行時間を計測する. 1 つ目は, 1 つの GPU が搭載された PC が, Ethernet で複数接続されている GPU クラスタ環境, 2 つ目は 1 つの PC に複数の GPU が搭載されたマルチ GPU 環境である. GPU クラスタ環境は Open MPI を用いた MPI 通信で相互通信を行う. 4. 結果と考察 以下の図 1, 2 に各実験環境における実行時間を示す. オブジェクトの分割数は 4 とした. GPU クラスタ環境では 4 ノード, マルチ GPU 環境では 2 ノードで処理している. また, マルチ GPU 環 199

206 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 境では, 1 つの GPU のみで処理した場合 (2D-CUFFT) と Open MPI 通信を用いた FFT ライブラリで処理した場合 (MPI-FFTW) の時間についても示した. 図 1 の結果から, GPU1 つで処理した場合, データサイズが大きくなると処理そのものが行えなくなっている. オブジェクト分割法は他の手法よりも短い時間で実行できており, TS 法と比較すると 2.1 倍の速度向上となっている. 一方, 図 2 の結果からはオブジェクト分割法は TS 法よりも長い時間がかかっていることがわかる. 2 つの実験環境の大きな違いにノード間の通信性能があげられる. ノード間の通信性能が低い GPU クラスタ環境では, ノード間通信が少ないオブジェクト分割法が他の手法よりも高速になったと考えられる. 図 1 GPU クラスタ環境での実行時間 図 2 マルチ GPU 環境での実行時間 5. 結言本研究では複数 GPU 環境においてオブジェクト分割法を用いた CGH 生成の高速化を行った. GPU 間の通信性能が低い環境においては提案手法は他の手法と比較して最大 2.1 倍の高速化を達成した. 今後の課題として, プログラムの最適化, さらに大きなデータサイズでの実験, GPU 数を増やした場合の評価などが挙げられる. 謝辞本研究の機会を与えたいただき, また, 貴重なご意見, ご指導をいただいた, 馬場敬信教授, 横田隆史教授, 大津金光准教授, 大川猛助教授に深く感謝いたします. そして, 本研究において多大な御力添えをいただいた, Boaz Jessie Jackin 氏をはじめとする研究室, オプティクス教育研究センターの方々に感謝いたします. 参考文献 1)Boaz Jessie Jackin, et al.: Proposal of Fast Calculation for Large-Scale Fresnel Hologram using Interpolation Method, International Workshop on Holography and Related Technologies 2013 (IWH 2013), 15d-4, Oct,

207 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 6 軸ロボットを用いたストークス偏光計 長谷川潤 (M1) Hiroshi Hasegawa(M1) 宇都宮大学大学院工学研究科学際先端システム学専攻 ( 指導教員 ) 大谷幸利 ( 教授 ) Yukitoshi Otani (Professor) 宇都宮大学オプティクス教育研究センター 1. 緒言我々は反射光, 散乱光の偏光状態から物体表面の情報を取得し, 評価する研究を行っており, これをバイオイメージングに応用しようと考えている. 特に皮膚を測定しようとした場合, 非接触, 非破壊で測定できる偏光測定は有効であると考えられる. しかし人を動かして光を当て反射光や散乱光を測定することは重労働であり被験者に負担もかかる. また散乱光は四方八方へ拡がるため自 由な角度から測定可能な機構が必要となる. そこで本研究ではストークス偏光計をロボットアームの先に取付け, 照射部分へ向けて制御す ることにより任意の角度から反射光や散乱光の偏光状態を測定しイメージングすることを目的とする. 2. 理論図 1 にストークス偏光計を示す 1). この光学系は, 位相子 R(φ,δ(λ)), 検光子 A(3φ) を 1:3 の回転比で回転させ光強度に変調を与え, 偏光子に結像させた結像レンズと CCD で光強度 I(φ) を得ることで, 計測したいストークス パラメータ S in を求める. 図 1 ストークス偏光計被測定光のストークス パラメータ S in は, 検出光のストークス パラメータ S out と位相子と偏光子のミュラー行列を用いて次のように表される.! # # # # # "# S 0out S 1out S 2out S 3out $! & 1 cos6ϕ sin6ϕ 0 $! $! # & # & # & # cos6ϕ cos & 2 6ϕ cos6φ sin6ϕ 0 & # 0 1 (1 cosδ(λ))sin 2 2ϕ (1 cosδ(λ))sin2ϕ cos2ϕ sinδ(λ)sin2ϕ & # = A(3φ) R(ϕ,δ(λ)) S in = # & # & # sin6ϕ cos6ϕ sin6ϕ sin 2 6ϕ 0 & 0 (1 cosδ(λ))sin2ϕ cos2ϕ 1 (1 cosδ(λ))cos 2 & I 0 # # 2ϕ sinδ(λ)cos2ϕ & # & %& " # % & " # 0 sinδ(λ)sin2ϕ sinδ(λ)cos2ϕ cosδ(λ) % & # "# ここで,A(3φ) は検光子のミュラー行列,R(φ,δ(λ)) は位相子のミュラー行列,φ は検光子と位相子の 回転角,δ(λ) は位相子の複屈折位相差,λ は波長である. この式を解くと光強度が得られる. この光強度をフーリエ解析することにより, フーリエ級数 を取る. 各フーリエ級数から位相子の複屈折位相差 δ(λ) は (2) のように, 被測定光のストークス パ ラメータは (3) のように求めることができる. また, 最後に S 0 成分で全要素を割ること規格化する. さらにストークス パラメータをデコンポジションすることで, 偏光成分と非偏光成分に分離する ことができる. δ(λ) = 2 tan 1 [ {a 2 (λ) b 2 (λ)} / {a 6 (λ)+ b 6 (λ)}] S 0in S 1in S 2in S 3in $ & & & & & %& (1) (2) 201

208 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書! # # S = # # # "# S 0in S 1in S 2in S 3in $! & # & # & = # & # & # %& " a 0 (λ) / I $ 0 & 2 {a 2 (λ)+ b 6 (λ)} / I 0 & & 2 {b 6 (λ) a 2 (λ)} / I 0 & 2 b 4 (λ) {1/ sinδ(λ)} / I 0 & % (3) 3. 実験 図 2 6 軸ロボットに取付けた偏光計図 3 ストークスイメージングした親指付け根付近図 2 は実験に使用した光学系である. サンプルの位置に手を, 手の甲が上になるように置き, 図 3 に示した領域が映るようにロボットアームの位置を調整した. 測定領域の左半分にはファンデーションを塗り, 肌の状態の違いをイメージングした. 4. 結果と考察図 4 は直線偏光度によるイメージング結果である. ファンデーションを塗った左半分の方が, 偏光度が高くなっていることがわかる. これはファンデーションを塗った事により, 肌の表面が滑らかになり, 偏光解消が減ったためと考えられる. 図 4 ファンデーションを塗った領域と塗ってない領域の直線偏光度によるイメージング 5. 結言 6 軸ロボットにストークス偏光計を取付けたシステムの構築と任意偏光状態の測定を試みた. また実用例として, ファンデーションを塗った肌と塗ってない肌を比較し表面の状態が違うことを示した. 偏光測定からバイオイメージングの新たな可能性を示すことができた. 謝辞今回研究費の助成をしていただいた CDI ヤングイノベーションスカラーシップ関係者の方々に感謝申し上げます. また研究の進捗をサポートしていただいた大谷幸利教授をはじめ, 研究室の方々にもお礼申し上げます. 参考文献 1) 田中, 中條, 大谷 :, 光学,40,8(2011)

209 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 経口免疫寛容を補助 増強する食物成分の探索とそのメカニズムの解析 勝俣雅之 (M1) Masayuki Katsumata(M1) 宇都宮大学大学院農学研究科生物生産科学専攻 ( 指導教員 ) 東徳洋 ( 教授 ) Norihiro Azuma (Professor) 宇都宮大学大学院農学研究科生物生産科学専攻 1. 緒言近年 食物アレルギーの患者数は増加傾向にあり 食物アレルギー発症の一因として経口免疫寛容の破綻が考えられている 経口免疫寛容とは 抗原を経口摂取することにより その抗原に特異的な全身性の免疫応答が低下する現象のことである この経口免疫寛容の働きを利用することによって 食物抗原に対する過剰な免疫応答が原因と考えられる食物アレルギーを改善できる可能性が示唆されており 経口免疫寛容の誘導のメカニズムの解明は重要である また こうした経口免疫寛容が食品によって調節される可能性も考えられており これまでに 乳酸菌などのプロバイオティクスにおいて経口免疫寛容の誘導の補助 増強することが出来るという報告がある 1) しかし 食品成分の効果に関する報告は少ない 本研究では 牛乳中に含まれる乳脂肪球被膜 (MFGM) とゆず果皮に着目した MFGM は乳腺上皮細胞膜由来のタンパク質やリン脂質より構成されており これまで肝臓でのコレステロール吸収抑制や破骨細胞による骨吸収の抑制という作用が知られている また 脾臓細胞に対する調節活性といった免疫系への効果も示すことが報告されている 2) MFGM は このように多くの生理活性を示すが 経口免疫寛容に対する影響については不明である ゆずはこれまでに 喘息やアトピー性皮膚炎の軽減 関連するサイトカインや IgE の減少といった効果が報告されている そこで 本研究では経口免疫寛容を補助 増強する可能性について検討することを目的とし マウスに卵白アルブミン (OVA) を食物抗原として摂取させることで経口免疫寛容を誘導するモデルを用いて MFGM とゆず果皮抽出物の摂取が経口免疫寛容に及ぼす影響を解析した 2. 実験 BALB/c マウス ( メス 6-7 週齢 ) に OVA 水溶液 (0.2 mg/ml) を自由摂取させることにより経口免疫寛容を誘導する群を経口免疫寛容群とした さらに OVA 自由摂取期間中にゾンデを用いて 1 日に 1 回 30 mg の MFGM を経口投与する群を経口免疫寛容 +MFGM 群とした また OVA MFGM のいずれも摂取しない群をコントロール群とした 同様にゆずを経口投与した群についても検討した OVA の自由摂取終了から 3 日後に 両後足裏に OVA 50 µg/µl アジュバント (CFA) を皮下注射し 更にその 1 週間後に膝窩リンパ節を摘出した 摘出したリンパ節をすりつぶして調製した細胞懸濁液を 96 ウェルプレートに 細胞 / ウェルになるように撒き 抗原となる OVA を添加し刺激した 培養 時間後に上清を回収し ELISA 法を用いて IL-2 203

210 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 IFN-γ の濃度を測定した また 上清回収後の細胞に 3 H- チミヂンを添加し DNA 合成時に取り 込まれたチミヂン量を測定し 細胞増殖応答を解析した 3. 結果と考察 in vitro での OVA 抗原刺激の結果 経口免疫寛容誘導群に対して経口免疫寛容誘導 +MFGM 群では IL-2 産生量が減少傾向を示した ( 図 1) また IFN-γ の濃度測定の結果においても 経口免疫寛容誘導群と比較して経口免疫寛容誘導 +MFGM 群は IFN-γ 産生量が減少傾向を示した ( 図 2) しかし 同様のスケジュールで複数回実験を試みたところ 経口免疫寛容誘導群と比較して経口免疫寛容誘導 +MFGM 群の IFN-γ や IL-2 の産生量の減少が確認できないこともあった ( データ省略 ) したがって Th1 型のサイトカインである IFN-γ や増殖応答に関連するサイトカインである IL-2 の産生では MFGM による経口免疫寛容の誘導を増強する働きがあるかどうか明らかにはできなかった また ゆず果皮抽出物の経口投与によっても IFN-γ の産生の抑制が増強される可能性が示唆された ( データ省略 ) 今後は これらの食品成分が アレルギーに関わる Th2 型の免疫応答における経口免疫寛容へ及ぼす影響を検討したい 図 1 IL-2 産生量測定結果 図 2 IFN-γ 産生量測定結果 4. 結言 MFGM が Th1 型免疫応答に対する経口免疫寛容を増強する可能性が考えられたが その作用は安定したものではなかった 今後 MFGM やゆず果皮成分が Th2 型応答に対する経口免疫寛容を補助 増強する可能性についても検討していく必要がある 参考文献 1)Prioult G, Fliss I, Pecquet S. Effect of probiotic bacteria on induction and maintenance of oral tolerance to beta-lactoglobulin in gnotobiotic mice. Clin Diagn Lab Immunol. 2003, 10(5): ) Zanabria R, Tellez AM, Griffiths M, Sharif S, Corredig M. Modulation of immune function by milk fat globule membrane isolates. J Dairy Sci. 2014, 97(4):

211 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 両親媒性スルファミド誘導体の展開単分子膜における凝縮相形態制御に関する研究 藤本開 (M2) Kai Fujimoto(M2) 宇都宮大学大学院工学研究科学際先端システム学専攻 ( 指導教員 ) 飯村兼一 ( 准教授 ) Ken-ichi Iimura (Associate Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科学際先端システム学専攻 1. 緒言 両親媒性スルファミド誘導体は 親水基 と疎水基の間に水素結合部位であるスルフ S O N N O O OH ァミド基を持つ両親媒性物質である この H H 2 OH 化合物のうちいくつかは 水面上に展開す Fig. 1 C14-S-C3-EO-OH の分子構造. ることで 二次元水素結合ネットワークの発達に基づくと考えられる特徴的な分子配列状態や膜形態を形成することが 本研究室でのこれまでの研究から分かっている 本研究では それらの両親媒性スルファミド誘導体の中でも C14-S-C3-EO-OH(Fig. 1) に着目し 研究を行った C14-S-C3-EO-OH は 分子占有面積が大きい領域では二次元の液体相を形成するが 圧縮によって固体相へと転移する この相転移領域で C14-S-C3-EO-OH 単分子膜を固体基板上に移行すると 特徴的な線状の凝縮相ドメインの形成が認められた 単分子膜におけるこのような線状ドメインの配向や幅 間隔 長さなどの形態的特徴を制御できれば 自己組織化を用いた表面微細パターニングとして様々な応用が期待できる そこで 本研究では C14-S-C3-EO-OH 単分子膜における形態制御法の開発や その手法を利用した微細パターン (Nano-Line 構造 ) の構築 および作製された微細パターンを用いてナノ構造体を形成させる方法の開発を目的とした C 14 H 29 O O 2. 実験水面上単分子膜の表面圧 ( )- 分子占有面積 (A) 等温線測定や シリコンウエハ上への単分子膜移行にはラングミュアトラフを用いた 基板上の分子膜やナノ構造体の観察には 原子間力顕微鏡 (AFM) や走査性電子顕微鏡 (SEM) 用いた また 分子配向の評価には微小角入射 X 線回折法 (GIXD) を 表面の元素分析には X 線光電子分光法 (XPS) を用いた 3. 結果と考察 C14-S-C3-EO-OH 凝縮相ドメインのラインテンション異方性成長凝縮相線状ドメイン形成の原因は C14-S-C3-EO-OH 凝縮相ドメイン周囲のラインテンション異方性のためと考えられる 一般に 凝縮相ドメインとその周囲の界面では ラインテンション 205

212 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 が最小となるように分子が配向する 固体基板上に移行した C14-S-C3-EO-OH 単分子膜に対する GIXD パターンにおいては 膜分子が二次元の分子結晶状態にあり かつ炭化水素鎖が水面法線 方向から大きく傾いていることが示唆された したがって この分子鎖の傾きにより ドメイン周囲のラインテンションに異方性が生じ ドメインが方向性を持って成長しているものと考えられる C14-S-C3-EO-OH 線形凝縮相ドメインの形態制御微細線形構造は 分子の自己組織化によって形成するものであることから 形成条件を変化させることで その膜形態を制御することが可能であると考えられる ドメインの形態制御を行う上では ランダムな凝集を抑制し ラインテンション異方性に従った分子の自己配向を引き起こす必要がある そこで 単分子膜の圧縮速度を遅くして 圧縮による過飽和を抑制した条件で単分子膜を作製したところ 線形凝縮相の異方的成長が促進されることが分かった また C14-S-C3-EO-OH が形成する線形パターンをナノ構造体形成 Fig. 2 Nano-Line 構造の AFM 観察像の鋳型として用いるためには 固体基板に単分子膜を移行した際に 基板表面に化学吸着する膜成分との相分離構造を作り出す必要がある そこで 化学吸着能を持つフッ化炭素鎖を持つ有機シラン化合物 (FDTES) と C14-S-C3-EO-OH との混合単分子膜について検討した C14-S-C3-EO-OH/FDTES 混合膜においては C14-S-C3-EO-OH による線形ドメインが発達した相分離構造が形成され 混合比 1:1 では その線形性はかなり向上した この場合 C14-S-C3-EO-OH 線形ドメインは C14-S-C3-EO-OH/FDTES 混和相からの相転移に伴い形成されるものと考えられる この場合 周囲相中の C14-S-C3-EO-OH 分子数が単成分と比べて少ないため 周囲相でのランダムな凝集や核生成が起こりにくく 線形性が向上したと考えられる 更に 温度による凝縮相形態への影響を調べたところ 低温条件でドメインの線幅が減少することが分かった この低温状態で作製された相分離単分子膜の表面構造 (Fig. 2) を Nano-Line 構造と呼び 以下の実験に用いた Vertically Grown Structure(VGS) の作製末端アミノ基を持つアミノプロピルトリエトキシシラン (APTES) は 垂直成長構造体 (Vertically Grown Structure;VGS) を形成することが当研究室のこれまでの研究で見出されている 上記の Nano-Line 構造を二次元鋳型として用いた VGS 形成を試みたところ 線幅が約 nm 最大高さが約 30 nm の Nano-Line-APTES-VGS が形成された 4. 結言本研究では 両親媒性スルファミド化合物である C14-S-C3-EO-OH の展開単分子膜において形成される自己組織化構造体の制御法を明らかにした また その表面構造を鋳型としてシリカ前駆体のナノ構造体の作製が可能であることを実証した 謝辞両親媒性スルファミド化合物については ライオン ( 株 ) 椛島真一郎博士 東京大学荒木孝二名誉教授 吉川功氏に提供して頂いた 記して感謝します 206

213 CDI サブナノ秒波長可変中赤外レーザーの開発 M2 Masato Kawasaki M2 Takeshi Higashiguchi (Associate Professor) 1. 緒言 1 W Yb:YAG 2. 実験 2.1 高繰り返し高平均出力 Yb:YAG 薄ディスク再生増幅器の構築 Yb:YAG 64 MHz 0.96 µj Yb:Silica 969 nm LD Yb:YAG 220 µm (CVBG) (PC) 1/4 100 khz PC PC BBO CVBG 90 ps CVBG 2.2 光パラメトリック中赤外レーザー 10.6 µm 1.06 µm 150 ps Nd:YAG µm 10.6 µm 10.6 µm 106 µm (OP-GaAs) 2385 nm 2385 nm 31.5 µm (PPLN). OP-GaAs 1 mj PPLN 10% KTP 207

214 CDI 3. 結果と考察 3.1 高繰り返し高平均出力 Yb:YAG 薄ディスク再生増幅器の特性 CVBG ps 2 ps khz 180 W 26.7 W 90% CVBG 10% CVBG Intensity (arbitrary unit) (a) Intensity (arbitrary unit) (b) 1.4 nm 2.0 ps AC-trace Gaussian fitting RA output power (W) 圧縮前圧縮後 Wavelength (nm) Time delay (ps) 図 1: パルス圧縮後の (a) スペクトル幅および (b) パルス幅 Pump power (W) 図 2:Yb:YAG 再生増幅器出力特性 3.2 光パラメトリック中赤外レーザー 152 C PPLN 1.6 mj 1921 nm 2385 nm µj 157 µj 21% nm 17.2 µj 10% Signal,Idler energy (μj) Total C.E. Signal Idler Mid IR total C.E. (%) Intensity (arb. units) λ c =1920 nm λ c = nm Pump energy (mj) 図 3: 中赤外光出力特性 Wavelength (nm) 図 4: 狭帯域種光注入同期スペクトル 4. 結言 Yb:YAG 100 khz 26.7 W 2 ps PPLN 208

215 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 橈骨変形治癒における前腕回旋の 3 次元シミュレーション 進藤拓志 (M1) Takushi Shindo(M1) 宇都宮大学大学院工学研究科機械知能工学専攻 ( 指導教員 ) 嶋脇聡 ( 准教授等 ) Satoshi Shimawaki (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科機械知能工学専攻 1. 緒言ヒト上肢は日常生活において重要な役割を担っており, その動作は複数の筋によって生成され, また関節は複数の靭帯に拘束され, 運動性を保っている. しかし, 骨折などによって骨が異常な形状で治癒した場合, 正確な動作が行えなくなり日常生活に支障をきたす. そこで本研究では,CT,MRI を用いた実計測データに基づいて人体組織の形状モデルを仮想空間上に作製することによって, 動作シミュレーションによりヒト上肢の橈尺関節の回旋動作である回内および回外動作の生成し, 橈骨変形治癒モデルとの挙動の比較することで, 臨床との定性的な比較検討を行なうとする. 今回は, 橈骨変形治癒のシミュレーションを行うための前腕回旋のシミュレーションモデルを作成, 評価を行った. 2. 実験 2.1 骨モデルの作成 CT 撮影によって得られた骨の CT 画像から, 輪郭抽出用ソフトウェア SURF driver(ver.4.0 David Moody and Scott Lozanoff) を用いて, 骨の輪郭を抽出しモデル化した 同様に MRI 画像から目的の筋のみの抽出を行った. 全長の輪郭を抽出後,3DCG シミュレーションソフト 3dsMAX(Auto desk 社 ) の仮想空間上において 3D モデルを作製した. また, 筋は回外の筋群である回外筋 回内の筋群である円回内筋と方形回内筋をモデル化した. 2.2 筋の設定ヒト腕の筋は 2 種類, 場合によっては 3 種類の骨に渡って付着している. 本研究では筋の付着部を MRI モデルによって決定し, 筋の付着部を直線バネで繋ぐことにより設定した ( 図 1). 2.4 靭帯モデルの設定ヒト腕は多数の靭帯による支持 拘束され動作を行っている. これらヒト腕を支持する靭帯は Fig1. 筋直線筋似 3D モデル Fig2. RUR 209

216 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 0.7 解剖模式図の形状をもとに収縮バネとして設定した. 2.5 シミュレーションの動作生成方法 シミュレーションは 3DCG シミュレーションソフト 3dsMAX(Auto desk 社 ) を用いて行う. 中間位 - 伸展位の 状態を初期位置として,2.4 節で設定したヒト腕におけ る靭帯 23 本を構築することにより支持 拘束し上腕骨 は仮想空間上に固定させた. また, 筋の直線バネの収縮 による張力をもって, 前腕回旋動作を生成した. 2.6 評価方法 評価には RUR (1) という指標を用いた ( 図 2). これは, 橈骨の S 字切痕の掌側端を点 A, 背側端 を点 B, 尺骨の回転軸を点 C とする. 点 C から直線 AB におろした垂線と直線 AB との交点を点 D とし,AD/AB を求める. この値が 0.2~0.8 であれば正常な回旋運動であるという指標となる. 回内および回外動作において回旋角度 10 度ごとに RUR を求めた 動作角度 Fig3. 前腕回旋における RUR 4. 結果と考察シミュレーションにおける最大動作角度は回内 80 度 回外 90 度となった. これは, シミュレーションモデルが十分な前腕回旋動作が可能であることを示す. 図 3 に角度ごとの RUR の値を示す.RUR は回内で増加し, 回外で減少する傾向となった. これは, 前腕回旋運動が回転のみではなく, 平行移動も行っているためだと考えられる. 最大値は回内 70 度で 0.664, 最小値は回外 60 度で となった. 全ての動作角度において RUR は 0.2~0.8 を満たしているため, 今回作成したモデルは正常な前腕回旋運動が行われていると考えられる. 5. 結言本研究ではヒト右腕部のシミュレーションモデルを, 骨を剛体, 筋 靭帯をバネに近似, 仮想空間状に構築した. その後, 筋バネを収縮させることで前腕回旋運動を生成し, 正常な前腕回旋運動が行われているか RUR を用いて評価を行った. その結果, 正常な前腕回旋運動が生成されていることが確認できた. 今後は, このシミュレーションモデルを使用し, 橈骨変形治癒における前腕回旋運動のシミュレーションを行う予定である. 謝辞 本研究を行うにあたり, 終始指導を賜った生体計測 福祉工学研究室の嶋脇聡准教授, 中林正隆 先生に深く感謝いたします. 参考文献 1)Gordon, Karen D; Dunning, Cynthia E; Johnson, James A; King, Graham J. Influence of the pronator quadratus and supinator muscle load on DRUJ stability. The Journal of hand surgery (6):

217 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 フラボノイド配糖体の代謝により生じるアグリコンが β-グルクロニダーゼ活性に及ぼす影響の検討 室井涼子 (M1) Ryoko MUROI(M1) 宇都宮大学大学院農学研究科生物生産科学専攻 ( 指導教員 ) 橋本啓 ( 教授 ) Kei HASHIMOTO (Professor) 宇都宮大学大学院農学研究科生物生産科学専攻 1. 緒言抗酸化性をはじめとする多くの生理活性が報告されているフラボノイド類は 各種野菜に含まれているが その大部分は配糖体として存在している フラボノイド配糖体は吸収性が低く 半分程度が小腸において吸収されることなく 大腸にまで到達する そこで腸内細菌による代謝を受け アグリコンやその代謝物となる 経口摂取された発がん物質は肝臓において グルクロン酸抱合体となり 胆汁とともに腸管に分泌される グルクロン酸抱合体は腸内において腸内細菌の生成する β-glucronidase(β-gud) により加水分解され その結果 発がん物質は再び活性化してしまう 従って β-gud を抑制することは大腸がんのリスクを低下させることにつながると期待されている 上記のことから フラボノイド配糖体の腸内細菌による代謝産物の β-gud 抑制活性を試験し それらの構造活性相関について検討していくこととした 2. 実験 アッセイに使用したフラボノイド化合物フラボノイド配糖体として rutin(6) アグリコンとして quercetin(1) kaempferol(2) myricetin(3) apigenin(4) luteolin(5) naringenin(7) eriodictyol(8) を 主な代謝物として 3,4-dihydroxyphenylacetic acid を使用した (Fig.1) β-gud 抑制活性測定法 1) 96 穴マイクロプレートの各ウェルにサンプル溶液 50μl β-gud 溶液 50μl ブランクとして PB 50μl を加え 37 で 10 分間インキュベートした その後同様に保温した基質溶液 (4-nitorophenyl-β-D-glucronide) を 50μl ずつすべてのウェルに加えマイクロプレートリーダーで nm における吸光度を測定した 最初の 10 分間の吸光度の変化速度を β-gud 活性とし コントロールを基準としてアッセイ試料による β-gud 抑制率を算出した 酵素活性のカイネティクス解析は基質濃度を変え β-gud 抑制活性を測定し Lineweaver-Burk plot によって評価した 3. 結果と考察フラボノイド化合物の β-gud 抑制活性について検討し 抑制活性の強さを IC 50 で評価した B 環のヒドロキシ基の数が異なる quercetin(1) kaempferol(2) myricetin(3) ではヒドロキシ基が 1 つの kaempferol の IC 50 が一番高く 27.6μM であり 一方で複数のヒドロキシ基を持つ quercetin と myricetin の IC 50 は μM と より強い抑制活性を示した C 環 3 位にヒドロキシ基を持た 211

218 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 ない apigenin(4) luteolin(5) あるいはグリコシル化されている rutin(6) では apigenin と rutin は抑制活性が 50% に満たなかったが o-ジヒドロキシ構造を持つ luteolin では IC 50 が 3.3μM と比較的高い活性が保たれており また naringenin(7) は抑制活性が 50% に満たなかったが o-ジヒドロキシ構造を持つ eriodictyol(8) の IC 50 は 27.1μM となることから B 環 3',4' 位の o-ジヒドロキシ構造と C 環 3 位のヒドロキシ基が抑制活性発現に重要な構造であることが示唆された 次に eriodictyol の IC 50 が 27.1μM luteolin の IC 50 が 3.3μM であることを比較すると C2-C3 に二重結合をもたない eriodictyol の方が 抑制活性が弱く C2-C3 の二重結合も抑制活性に影響を与える可能性があることがわかった Rutin は抑制活性が 50% に満たないが 腸内細菌によって quercetin,3,4-dihydroxyphenylacetic acid に代謝されることにより 活性が発現することがわかった (Fig.2) また 強い抑制活性が確認された quercetin myricetin luteolin 3,4-dihydroxyphenylacetic acid についてカイネティクス解析を行ったところ quercetin luteolin 3,4-dihydroxyphenylacetic acid は混合型阻害 myricetin は不拮抗阻害であることがわかった Fig.1 Structure of flavonoids Rutin IC 50 =ND 腸内細菌 Quercetin IC 50 =1.4μM 腸内細菌 3,4-dihydroxyphenylacetic acid IC 50 =4.6μM Fig.2 Metabolism of flavonoids by intestinal microbiota 2) 4. 結言本研究により いくつかのフラボノイド化合物にβ-GUD 抑制活性があることが確認された またルチンにおいては 腸内細菌により代謝され β-gud 抑制活性が増大することから これらのフラボノイド化合物が多く含まれている野菜や果物の利用価値が高まると期待できる 参考文献 1)Biosci. Biotechnol. Biochem., 2013, 77, )Food Nutr. Res., 2014, 58,

219 ロボットを利用した曲がり管の内面研磨システムの開発 解文成 (M1) WENCHENG XIE(M1) 宇都宮大学大学院工学研究科機械知能専攻 鄒艶華 ( 准教授 ) YANHUA ZOU (Associate Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科 1. 緒言近年, 半導体, 医薬品関連産業などの発展に伴い, 高純度ガスや流体を輸送することに用いられる配管に対する高度クリーン化技術が必要とされている. 配管の内面に微細な凹凸が存在すると, 応力集中による破壊の発生, 汚染物付着による腐敗破壊などの問題が発生する. これらの問題を防止するためには, 様々な形状の配管に対応した精密内面仕上げ加工が要求される. しかし, 1) 大径曲がり管及び厚肉曲がり管などの内面加工に磁性粒子を用いた内面研磨を行った場合, 加工不能及び曲がり管の曲がり部の内側と外側の表面粗さの差を縮めることができないなどの問題が存在している. 以上の問題に対し, 本研究では, 磁石工具を利用し, 高い加工力を得ること 2)3) によって曲がり管の内面研磨を実現し, 曲がり管の曲がり部の内側と外側の表面粗さの差を縮めることと加工時間を短縮することを目的とする. 2. 加工原理及び実験装置 Magnetic yoke Magnetic machining tool Magnetic particles Magnetic force Magnetic machining tool Workpiece Workpiece Rotation Closed magnetic circuit Magnetic pole Magnetic particles Magnetic pole Fig1. Schematic diagram of processing principle and photograph of the processing part 図 1 に加工原理の模式図と加工部の写真を示す. 図に示すように, 曲がり管の外側に各々が対極となっている磁極を円形の磁性体に設置し, モーター及びフレキシブルシャフトにより回転運動機構を備えた磁気研磨ユニットを,6 軸制御ロボットのアーム部の先端に取り付ける. 曲がり管の内部には, ユニバーサルジョイントの先端に, 各々が対極となっている永久磁石に不織布を巻きつけた状態で設置した磁石工具を, 磁性粒子及び砥粒及び水溶性研磨液を単純混合した混 213

220 合磁性砥粒とともに供給する. 磁極及び磁石工具を図 1 のように, 直角に配置することで, 磁極及び磁性加工ジグ内に閉磁気回路が形成される. また, 閉磁気回路は磁極及び磁石の間の磁束密度を高める働きをする. 磁極からの磁気吸引力により, 磁石工具及び混合磁性砥粒は曲がり管の内面に押し付けられ, 曲がり管の内面に対して加工圧力を得る. ここで, 磁気研磨ユニットを回転運動させると磁石工具及び混合磁性砥粒もそれに追従し運動するため, 曲がり管の内面が研磨されていく. また,6 軸制御ロボットにより磁気研磨ユニットの姿勢を制御し, 曲がり管の軸方向に向かって送り運動を与えることによって, 曲がり管の内面の全面に渡る研磨が可能となる. 3. 実験結果及び考察本実験で SUS304 ステンレス曲がり管を用いた. 加工前の曲がり管の加工面表面粗さは 1638 Ra nm であり, 加工面の内側と外側における表面粗さの差は 600 Ra nm 程度であった. そのため, 本実験では多段階加工を利用し, 粗加工と仕上げ加工を分けて行った. 粗加工では,Step1: 電解鉄粉 ( 平均粒径 330 µm)0.4g,kmx 磁性砥粒 ( 平均粒径 80 µm)0.2g), 30 分 ;step2: 電解鉄粉 ( 平均粒径 149 m):0.4g,kmx 磁性砥粒 ( 平均粒径 80 µm:0.2g),30 分で 2 段階分けて行った. 前加工を終えた後, 電解鉄粉 ( 平均粒径 30µm):0.4g,#30000WA 砥粒 :0.2g,30 分間仕上げ加工を行った. 加工 10 min 毎に曲がり管の洗浄を行い, 接触式の表面粗さ測定器により直管部加工面の表面粗さ測定を行った. また, 混合磁性砥粒及び不織布の交換して続けて実験を行った. また, 曲がり管の曲がり部の加工面を表面粗さ測定するため, 被加工物を切断し, 曲がり管の曲がり部の加工面の内側及び外側の表面粗さ測定を行った. その結果, 内側は 51Ra nm まで, 外側は 44 Ra nm まで表面粗さが向上し, その差は殆どなくなった. おそらく, 磁石工具に動作自由度の高いユニバーサルジョイントを用いたことで, 曲がり管の曲がり部でも磁石工具が安定に動作したのではないかと考えられる. 4. 結言従来の磁性粒子を用いた曲がり管の内面磁気研磨に対し, 本研究では 磁石工具によって高い加工力が得られ 曲がり管の内面をナノメータースケール仕上げ加工することができた. そして, 曲がり管の曲がり部加工面の内側と外側の表面粗さの差を縮めた. 今後は この高い加工力を生かし, 厚肉曲がり管の内面仕上げ加工も期待できると考えられる. 参考文献 (1) 山口ひとみ, 進村武男, 小林厚 : 日本機械学会,1999 年度年次大会講演論文集 (V), (1999), (2) 鄒艶華, 進村武男 : 磁気加工ジグを用いた磁気援用加工法に関する研究, 砥粒加工学会 (2004)No.8, (3) 鄒艶華, 森敬祐 : ロボットを利用した自動磁気研磨システムの開発, 日本機械学会東北支部 (2014)

221 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 手術ロボット用フレキシブル マニピュレータの開発 山本冬起 (M1) Fuyuki Yamamoto(M1) 宇都宮大学大学院工学研究科機械知能工学専攻 ( 指導教員 ) 酒井直隆 ( 教授 ) Naotaka Sakai (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科機械知能工学専攻 1. 緒言近年, 内視鏡下手術をはじめとする外科治療の低侵襲化に伴い, 手術ロボットを用いた低侵襲手術が注目されている [1]. 現在, 実際に手術を行うマニピュレータのインストゥツルメント部には鉗子など多くの形状種類が存在するが, 術野到達後の運動には限界があり, 術野に到達してから更に深層部へのアクセスする場合や臓器の裏側に回り込んだ治療には困難な場合がある. そこで本研究は術野においてマニピュレータの運動が制限される条件下で, アクセスが非常に困難な場合に対応できる伸縮と屈曲が同時に行うことが可能な機構の開発を目的とした. 開発した機構は象の鼻の筋構造を規範とした, マルチリニアリンク機構を用いたフレキシブルマニピュレータである. 本報は本マニピュレータの動作解析を行い, その操作性と運動軌道について検討した結果を述べる. 2. 実験実験装置のコンセプト及び実物を図 1,2 に示す. 伸縮する機構を外側から内側に向け 4 方向から設置する. それらが収縮及び伸張することでその方向へ機構が屈曲する. その他,4 つを同時に収縮及び伸張させることでマニピュレータ全体の長さを変更することも可能である. また, 機構の中心部には中空を設け, そこにワイヤを通すことで先端に取り付けられた鉗子の操作が可能となっている. この機構は保持力と高自由度を両立しつつ, マニピュレータ全体が異なる屈曲が可能である関節となっている. Fig.1 実験装置コンセプト Fig.2 実験装置 215

222 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 モータボックスに取り付けられたサーボモータによって SUS ワイヤが引張され, 屈曲機構の伸縮部が伸縮し, 機構が屈曲する. モータはコントローラに取り付けられたジョイスティックの傾きにあわせて駆動し, アナログ操作が可能である. 制御は制御部のマイコンによって行われる. 機構及び操作時の運動軌道についての評価を目的として実験を行った. 前面部, 側面部から撮影を行い, 実験機に取り付けたマーカの軌道を, 動作解析ソフト kinovea を用いて自動追跡した. 解析する動作は上下, 左右, 右対角, 左対角の 4 動作を対象とした. 各動作を 5 回行い, その平均の軌道を, グラフ描画ソフト gnuplot を用いて三次元座標上に出力した. (a) 上下軌道 (b) 左右軌道 (c) 右対角軌道 Fig.3 屈曲軌道 (d) 左対角軌道 3. 結果と考察機構の運動軌道を図 3 に示す. 各軌道を見てみると,(a)(c) に関しては, 運動時僅かに横方向に軌道が乱れた以外は理想的な動作をした.(b) に関しては, 中心に戻る際,Y 方向に動いてから Z 方向に動くという特殊な動作をした.(d) に関しては,(b) の特徴に加え, 大きく外に膨らみながら動くという特徴が現れた. これらの特殊な動きは操作時の人為的な誤差が現れているためと考えられる. いずれの動作においても, おおよそ期待通りの運動性が確認できた. 4. 結言手術用ロボット用インストゥルメンツとして, 象の鼻の筋構造を規範とした屈曲 伸縮が可能なマルチリニアリンク機構を用いたフレキシブルマニピュレータの基本構造を開発し, その運動性を検討するため動作解析を行った. その結果, 三次元的な高自由度を持つマニピュレータとして提案機構の有効性が示唆されたと考えられる. 今後は伸縮運動の制御系の作成とさらなる操作性の検討を行う. 謝辞終始懇篤なご指導を与えてくださったバイオメカニクス研究室の酒井直隆教授, 嶋脇聡准教授, 中林正隆先生に深く感謝いたします. 参考文献 1) C.Freschi, V.Ferrari et al, Technical review of the da Vinci surgical telemanipulator, The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery, 2012, pp

223 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 低アレルゲン化 - ラクトグロブリン分解物による経口免疫寛容誘導の検討とその分解ペプチドの解析 楯岡潤 (M1) Jun TATEOKA(M1) 宇都宮大学大学院農学研究科生物生産科学専攻 ( 指導教員 ) 山田潔 ( 講師 ) Kiyoshi YAMADA(Lecturer) 宇都宮大学大学院農学研究科生物生産科学専攻 1. 諸言牛乳中に含まれる -ラクトグロブリン ( -LG) は乳幼児における主要な食物アレルゲンとして知られており Ⅰ 型アレルギーの症状であるアナフィラキシーショックを誘導する アレルギーをもつ患者は一般に 除去食もしくは低アレルゲン化食品を食べることによってアレルギーの発症を回避している しかしそれは根本的なアレルギーの改善にはつながらず アレルギー寛解のメカニズムは十分に解明されていない 食物アレルギーの寛解には経口免疫寛容の誘導が重要であると考えられている 経口免疫寛容とはアレルギー患者がアレルゲンタンパク質を経口的に摂取することにより全身性のアレルゲン特異的な免疫応答が低下するという現象である しかしアレルギー患者はアレルゲンタンパク質をそのまま摂取することができない 昨年度までの研究で 400 MPa, 600 MPa という高圧条件下で 10 分間ペプシン処理を行うことにより -LG の低アレルゲン化が可能であることを明らかにした 高圧下ペプシン処理による低アレルゲン化では アレルゲン断片化によりアレルギー応答の発症抑制が期待される一方で 経口免疫寛容の誘導に必要な T 細胞エピトープが残存すれば 経口免疫寛容が誘導できる可能性が考えられる そこで本研究では マウスに高圧下ペプシン処理により低アレルゲン化された -LG 分解物を摂取させることによりアレルギーの寛解に向けた経口免疫寛容を誘導できるかを検討した 2. 実験 -LG 分解物中のペプチドを逆相カラムを用いた HPLC で分画し 各ピークについて TOF-MS 解析を行った BALB/c マウス ( メス 6 週齢 ) に 1 mg の未処理 -LG あるいは 400 MPa 10 分間ペプシン処理 -LG 600 MPa 10 分間ペプシン処理 -LG を毎日 1 回 1mg を 5 日間 ゾンデを用いて胃内投与した また PBS を投与したコントロール群を設定した 最後の経口投与を行ってから 3 日後 両後足裏に未処理 -LG 50 µg/50 µl アジュバンド (CFA) を皮下注射し さらにその 1 週間後に膝窩リンパ節を摘出した 摘出したリンパ節をすりつぶして調製した細胞懸濁液を 96-ウェルプレートに 細胞 / ウェルになるように播き そこに刺激として未処理 -LG 0~3 µm を添加した 培養 時間後に上清を回収し 上清中の IL-2 IFN- 濃度を ELISA 法で測定した また培養 72 時間の細胞を 37 kbq のトリチウムでラベルし さらに 24 時間培養した後 細胞を回収 217

224 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 し抗原特異的細胞増殖応答について解析した 3. 結果と考察低アレルゲン化を確認した -LG 分解物中に p119~131 残基のペプチドが存在していることが確認された 細胞増殖応答試験の結果 コントロール群と比較して未処理 -LG と 400 MPa 10 分 600 MPa 10 分 -LG 分解物経口投与群では細胞増殖の減少が認められた 細胞増殖に関与する IL-2 産生においても同様に コントロール群と比較して未処理 -LG と 400 MPa 10 分 600 MPa 10 分 -LG 分解物経口投与群では IL-2 産生が減少した ( 図 1) 代表的な Th1 サイトカインとして知られる IFN- 産生においては コントロール群で顕著に産生される一方で 未処理 -LG と 400 MPa 10 分 600 MPa 10 分 -LG 分解物経口投与群においては抑制された ( 図 2) これらの結果から 400 MPa 10 分 600 MPa 10 分 -LG 分解物は未処理 -LG と同程度の経口免疫寛容誘導能を保持している可能性が示唆された 図 1 培養 48 時間の上清中の IL-2 濃度 図 2 培養 72 時間の上清中の IFN- 濃度 4. 結言低アレルゲン化を確認した 400 MPa 600 MPa という高圧下で 10 分間ペプシン処理を行った -LG 分解物を経口摂取することにより細胞増殖応答と IL-2 産生 IFN- 産生を抑制したことから 低アレルゲン化した -LG 分解物が経口免疫寛容誘導能を保持している可能性が示唆された 謝辞本研究を遂行するにあたり, 高圧処理装置の使用にご協力頂いた栃木県産業技術センター食品技術部の方々 TOF-MS 解析装置の使用にご協力いただいた地域共生研究開発センター先端計測分析部門の方々に感謝いたします. 参考文献 1)López-Expósito I, Chicón R, Belloque J, López-Fandiño R, Berin MC. In vivo methods for testing allergenicity show that high hydrostatic pressure hydrolysates of β-lactoglobulin are immunologically inert. J Dairy Sci (2): )Tsuji NM, Mizumachi K, Kurisaki J. Interleukin-10-secreting Peyer's patch cells are responsible for active suppression in low-dose oral tolerance. Immunology (4):

225 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 インドネシアの二次林における未利用早生樹の細胞形態の半径方向変動 竹内僚恭 (M1) Ryosuke TAKEUCHI(M1) 宇都宮大学大学院農学研究科森林科学専攻 ( 指導教員 ) 飯塚和也 ( 教授 ) Kazuya IIZUKA (Professor) 宇都宮大学大学院農学研究科森林科学専攻 1. 緒言インドネシアにおいて 潜在的利用価値のある樹種はおよそ 4000 種といわれている (1) しかしながら その中で商業的木材として利用されている樹種は 全体のわずか 6% にすぎない (1) 多様な樹種が存在する熱帯林には 木材性質について未解明な樹種が多く 新たに利用可能な樹種を明らかにするためには木材性質を調査し 用材適性を評価することが必要不可欠である 早生樹とは 年平均材積成長量が 15m 3 /ha 以上で 植栽後 20 年以内に木材の供給が可能な樹種である (2) 熱帯早生樹は 東南アジアにおける木材生産においても 重要であると考えられている インドネシアでは 外来種である Acacia mangium や A. auriculiformis などの熱帯早生樹が大規模に産業植栽され パルプ用材や合板用材などに利用されている 一方 インドネシアでは 焼畑耕作後に放棄された土地に二次林が成立し それらの森林には 多様な早生樹種が存在している (3) しかしながら 二次林早生樹種の多くは 木材として利用されていない 本研究では 熱帯地域に生育する早生樹 Begarung を用いた Bgarung はトウダイグサ科 Macaranga 属に属しており これらの樹種は二次林に早期の段階から出現するパイオニア種であることが知られている (3) しかしながら 商業的にはあまり多く利用されていない そこで 本研究では 本種の木材性質を調査することで 新たな木材生産用植林樹種としての有用性を検討することを目的とした 2. 実験実験には インドネシア中央カリマンタン州における焼畑後の二次林を構成する熱帯早生樹である Begarung(Macaranga sp.)10 個体を用いた これらの 10 個体より 成長錘を用いて 直径 5 mm のコアサンプルを採取し 髄側から 1 cm ごとに切断した その後 厚さ 20 m の横断面切片を 切断したコアサンプルより作製し サフラニン染色 脱水 透徹後 永久プレパラートを作製した 作製した永久プレパラートを用いて 顕微鏡写真を撮影し 得られた画像を用いて 道管直径 木繊維直径および木繊維壁厚を測定した また 切断したコアサンプルより mm の小片を作製し 解離法により 道管要素長および木繊維長を測定した 得られたデータを用いて 組織学的特徴における半径方向変動を調査し 木材性質との関係について明らかにした また 得られた結果をもとに 木材の利用における有用性について考察した 219

226 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 3. 結果および考察道管直径 木繊維直径および木繊維壁厚の平均値は それぞれ 172.8±50.8 m 27.7±3.4 m および 1.04±0.06 m であった 得られた値について分散分析を行った結果 すべての細胞形態で個体間に有意な差が認められた また 各個体について半径方向変動を調査した結果 木繊維壁厚は ほぼ一定の値を示した 一方 木繊維直径は 髄から 5 cm 目まで増加し その後 減少する傾向を示した また 道管直径は 樹皮側へ向かって増加した後 ほぼ一定の値を示した 道管要素長および木繊維長の平均値は それぞれ 1.03±0.11 mm および 1.58±0.10 mm であった 得られた値について分散分析を行った結果 個体間において木繊維長については有意な差は認められなかったが 道管要素長については有意な差が認められた また 各個体について 半径方向変動を調査した結果 木繊維長は髄から樹皮側へ向かって増加する傾向を示し 道管要素長はほとんど一定の値で推移する傾向を示した Ogata ら (4) は 本研究で用いた試料と同属である Macaranga spp. について 木繊維長では1.1~2.0 mm であると報告しており これは本研究で得られた値の範囲と一致している また 三宅 (5) は 木繊維とパルプ特性の関係について 木繊維長は 繊維間結合に影響し 内腔径と直径の比は木繊維の柔軟性を表すため これらの値が高いほど 紙強度が増加することを報告している 本種におけるこれらの値はいずれも パルプ用材として利用されている Eucalyptus 属で報告された値 (6) より 高い値を示したことから 本種はパルプ用材として有用であると考えられる 4. 結言 Begarung の基礎的な組織学的性質について 分散分析を行った結果 木繊維長で個体間に有意な差が認められなかった 従って 樹齢および直径が異なる場合でも 木繊維長はほとんど同じであると考えられる また 木繊維の半径方向変動を調査した結果 髄から 5 cm 目以降 繊維壁率が増加することが示唆された さらに 木繊維形態および木繊維長で得られた結果より 本種をパルプ用材として用いた際に より高い紙強度を示す樹種である可能性が示唆された 参考文献 1)Soerianegara I, Lemmens RHMJ (1994) 1 Introduction Plant resources of South-East Asia 5: (1) timber trees: major commercial timbers Prosea, Bogor, pp )Cossalter C, Pye-Smith C (2003) Fast-wood forestry: myths and realities CIFOR, Bogor, p. 50 3) 福島万紀 (2012) 第 5 章焼畑耕作が創出する生存基盤, 地球圏 生命圏の潜在力 京都大学学術出版会, 京都,pp )Ogata K, Fujii T, Abe H, Baas P (2008) Identification of the timber of South east Asia and the Western Pacific Kaiseisha, Ohtsu, p ) 三宅基夫 (1968) 北海道産広葉樹における材の特性とクラフトパルプの性質. 紙パ技協誌 22: ) 大島潤一 (2007) ユーカリにおけるパルプ特性に関する材質の樹幹内変異. 宇都宮大学農学部演習林報告 43:

227 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 建築物の外装における雨水流れ制御のための要素技術開発 佐山諒 ( 博士前期課程 1 年 ) Ryo SAYAMA(M1) 宇都宮大学大学院工研究科地球環境デザイン学専攻 ( 指導教員 ) 杉山央 ( 教授 ) Hisashi SUGIYAMA (Professor) 宇都宮大学大学院工研究科地球環境デザイン学専攻 1. 緒言日本の建築物寿命は海外の主要国と比べ短く, 長寿命化する余地がある 長寿命化には部材の劣化防止が重要となるが, 劣化の原因には雨水を中心とした水の移動が大きく関係している これまでは屋根や軒などの雨がかかる部位の断面形状に着目して雨水を制御しようとする研究が多かった これに対し本研究では材料の持つ物性に着目し, 雨水流れを予測 制御し, 劣化を防ぐことを最終目標とした 2. 実験 2.1 水滴流下実験の目的 概要本実験では, 建築物の外装材としてコンクリートやステンレスを想定し, その表面における雨滴の流下挙動の解明を目的とした 雨滴の直径は概ね 1~ 6mm 程度 1) なので, これに相当する 5~100µlの液摘を, マイクロピペットで滴下し, 斜め壁と鉛直壁を想定した試験体表面での流下挙動を観察した 表 1 と表 2 に試験体の因子と水準を示す コンクリート試験体は, 表面の吸水性やぬれ性の違いを検討するために, 水セメント比, 表面含浸材, 型枠の因子を設定し, ステンレス試験体は市販建材の代表的な表面仕上げを選定し, 研磨角度を変えて使用した 2.2 物性試験 流下挙動の評価方法表面粗さ試験と水接触角の測定を行った 表面粗さは JIS B 0633 に準拠して表面形状を計測し, 接触角は液滴法により計測し,θ/2 法を用いて算出した 表 3 に測定条件, 表 4 に評価指標の定義と測定方法 表 1 コンクリート試験体の因子と水準 因子 水準 水セメント比 (%) 25,45,65 型枠の種別 ウレタン塗装合板, 杉板, 鋼板 シラン系 3 種類, 表面含浸材等の種類 ケイ酸塩系 2 種類 膜養生材 1 種類 表 2 ステンレス (SUS 304) 試験体の因子と水準 因子 水準 表面仕上げ 9 種類 ( 片研, エンボス,HL, BA,#320,2B,No.4,No.7,No.8) 研磨の角度 ( ) 90,60,30,0 表 3 測定条件 試験体設置角度 θ( ) 60,90 液滴の大きさ a(μl) 5~100 測定回数 各流量で 5 回 滴下位置 試験体上端から 10cm 表 4 評価指標の定義と測定方法 評価指標 定義 測定方法 流下距離 (cm) 滴下位置から流下が止まった位置までの距離 巻尺により計測 滴下から液滴の停止までの時間 流下時間高速度カメラ及びストップウォッ (s) チで, 最長 3 分間まで測定 流下速度 (cm/s) 外壁の汚れ : 汚染物質は雨水によって運ばれる ひび割れ : ひび割れに雨水が浸入すると鉄筋が腐食する 材料の腐食 ( 柱脚部など ): 水がたまりやすい場所では材料が腐食しやすい 図 1 主な劣化現象と水の移動との関係 流下距離と流下時間から 10cm 間隔で速度を算出した 221

228 平成 26 年度宇都宮大学 CDI ヤングイノベーションスカラーシップ研究成果報告書 を示す 建築物の劣化しやすさは部位が濡れるかどうかに関係しており, 雨水の流下距離の予測が重要と考えられる そこで, 流下距離, 流下速度を流下挙動の評価指標とした 3. 結果と考察 3.1 試験体角度 表面粗さと流下距離の関係 図 3 に液滴の大きさと流下距離の関係を示す い ずれの表面仕上げでも液滴が大きくなると流下距離が伸びた 一般に降水量が多いほど雨滴径が大き 100 図 2 コンクリート試験体の写真表面仕上げの種別表面仕上げの種別 HL HL くなることが知られているため, 降水量が多い場合 80 No.8 No.8 の方が,1 滴のみ付着した場合であっても流下距離試験体の試験体の 60 が長くなることが明らかとなった 設置角度設置角度 また, No.8 はθが変化しても流下距離は概ね等しかった 一方,HL では液滴の大きさ 30µl 以上の場合, 試験体設置角度 θが大きいほど流下距離が長 θ=60 θ=90 くなった ここから, 表面が粗く摩擦が大きい材料 ほど壁面の傾きの影響を受けやすいと考えられる 液滴の大きさa(μl) 液滴の大きさa(μl) 図 3 液滴の大きさと流下距離 ( ステンレス試験体 ) 3.2 コンクリート表面における液滴流下特性 図 4 にコンクリート試験体での実験結果を 100 杉 示す 水セメント比が小さいほど流下距離が長くなった 既往の研究 2) から水セメント比が小さいほど吸水性は低いことが知られているため, 材料の吸水性が低いほど流下距離が長くなると考えられる 表面含浸材別に比較すると, 膜養生材, シラン系, ケイ酸塩系の順 W/C=25% W/C=45% W/C=65% で流下距離が長くなり,a=100µlでは杉板型水滴の大きさa(μl) 水滴の大きさa(μl) 枠試験体の流下距離が顕著に長くなった 図 4 液滴の大きさと流下距離 ( コンクリート試験体 ) 流下距離 (cm) 流下距離 (cm) シラン ケイ酸塩 養生材 ウレタン 4. 結言建築材料の表面仕上げによって, 表面粗さや方向性, ぬれ性などに違いを生じる これらの表面性状の差異や壁面角度が, 液滴の流下距離や方向に影響を与えることを実験的に明らかにした 参考文献 1) 青木篤志, 藤吉康志 : 雨縞の研究 (1)- 最大粒径に着目して-, 日本気象学会大会講演予講集,2009 2) 林和彦, 細田暁 : 埋込みセンサーを用いたコンクリートの表面吸水試験における水分移動の分析コンクリート, 工学年次論文集,vol.35, pp ,

229 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ヤングイノベーションスカラーシップ国際会議報告書 3.5 Size measurement of nanostructure using digital super-resolution interference microscopy 石川慎二 (D3) Shinji Ishikawa(D3) 宇都宮大学大学院工学研究科システム創成工学専攻 ( 指導教員 ) 早崎芳夫 ( 教授 ) Yoshio Hayasaki (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究システム創成工学専攻 1. 出席会議名 Digital Holography & 3-D imaging 2015 国名 : アメリカ合衆国都市名 : ワシントン州シアトル開催期間 : 2014 年 7 月 13 日 ~ 2014 年 7 月 17 日 2. 発表概要 光学結像系の空間分解能は, 回折限界により光源の波長程度に制限される. 光学顕微鏡による 観測は, 試料に対する非破壊性から, その回折限界を超える技術 ( 超解像技術 ) が求められる. 近年では, 走査型近接場光顕微鏡や,STED 顕微鏡 ( stimulated emission depletion microscopy ) の ように, 超解像顕微計測技術が開発されている. これらの超解像は, 近接場光や誘導放出を用いて, 照明スポットや蛍光領域を狭めることで実現される. また, 通常の回折伝搬光から逆問題としてナノ構造の超解像計測を可能とする手法がある.FIONA ( fluorescence imaging one-nanometer scale accuracy ) は, 回折限界像のガウスフィッティングにより, 単一分子の数ナノメートルスケールでの位置計測を可能とし,PALM/STORM ( photoactivated localization microscopy / stochastic optical reconstruction microscopy ) として超解像に応用された. 我々は, 干渉顕微鏡により観測した複素振幅像とパターンマッチング手法によるナノ構造の推定手法である複素振幅型ディジタル超解像顕微鏡法 ( DiSRIM : digital super-resolution interference microscopy ) を提案した [Fig. 1].DiSRIM では, 既知のナノ構造の複素振幅像データベースを作成し, 観測された未知のナノ構造の複素振幅像からデータベースを参照することで, ナノ構造を推定する. 複素振幅像は, 光軸方向の構造計測においてサブ波長スケールの計測を可能とする位相分布を有し, 回折限界下においても, ナノ構造推定のための有用な情報となる. 本稿では,DiSRIM を用いたナノスケールの構造計測について検証する. 孤立した単一凸構造の幅, 高さ, 位置の計測について, 時間領域有限差分法 ( FDTD : finite difference time domain method ) とフーリエ変換に基づく光伝搬計 Known nanostructure A complex-amplitude image Interference of a unknown sample Pattern microscope 算により実現された光学顕微鏡の計算機シ Learning matching ミュレーションを用いて, ノイズ環境下に amplitude phase おける計測誤差を評価した. その結果, Modeling & database Calculation PSNR = 50dB のノイズ環境下の複素振幅像 Analysis Complex-amplitude Analysis result 計測により,50nm スケール構造の構造幅, images of sample 高さ, 位置計測において, 平均絶対誤差 Fig. 1 Procedure of nanostructure analysis with DiSRIM. MAE = 1nm を達成できることを示した. 223

230 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ヤングイノベーションスカラーシップ国際会議報告書 Parallelized Preconditioned MRTR Method with Eisenstat s Technique Supported by Algebraic Multicolor Ordering 圓谷友紀 (D1) Tomonori TSUBURAYA(D1) 宇都宮大学大学院工学研究科システム創成工学専攻 ( 指導教員 ) 里周二 ( 教授 ),( 指導補助教員 ) 岡本吉史 ( 助教 ) Shuji SATO (Professor), Yoshifumi OKAMOTO (Assistant Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科電気電子システム工学専攻 1. 出席会議名 :The Sixteenth Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation (CEFC 2014) 国名 : フランス都市名 : アヌシー開催期間 : 2014 年 5 月 25 日 ~ 2014 年 5 月 28 日 2. 発表概要有限要素解析で最も計算時間を必要とする線形方程式求解の高速化を実現するために, 係数行列の非零要素を並び替える代数マルチカラーオーダリング (AMC) を援用した対称ガウスザイデル (SGS) 前処理付き MRTR 法の並列化を検討した.MRI モデル ( 六面体二次要素, 要素数 :87,120) におけるオーダリング後の非零要素分布 (DoF:1,014,600, 非零要素数 :82,050,304) を図 1 に示す. ここで,RCM は Reverse Cuthill-McKee の略称で, 対角付近に非零要素を分布させるオーダリング法である. 図 1 の各係数行列に対する計算結果を表 1 に示す. ここで,N p は並列度数,Au は行列ベクトル積,L -1 u は前進代入,L -T (a) Original (b) RCM (c) AMC (88 color) u は後退代 Fig. 1. Nonzero distributions using matrix orderings. 入を意味する. また,MESGS は,Eisenstat TABLE I RESULTANT PERFORMANCE OF PARALLELIZED MRTR elapsed time [s] scal. の方法を導入した SGS 前処理を指す. precond. ordering Np linear it. Au L -1 u L -T u total (TNp) (T 1 / T 6 ) 1, RCM を導入したブロック化前処理の方 1 (1.00) (1.00) (1.00) (1.00) (1.00) , が AMC 付き SGS よりも高速となった. 6 Block (1.55) (0.60) (0.56) (0.49) (0.56) SGS これは, 前進 後退代入と行列ベクトル (0.57) (0.57) (0.56) (0.54) (0.56) RCM 積におけるキャッシュミスが要因の一つ (0.80) (0.31) (0.29) (0.25) (0.29) である. 最速となったのは,6 並列時の AMC (0.83) (1.76) (1.64) (1.55) (1.62) SGS (88 colors) (0.83) (0.55) (0.52) (0.49) (0.51) AMC を導入した MESGS-MRTR 法で, 逐 AMC (0.79) (0) (1.58) (1.48) (0.78) 次版 SGS-MRTR 法よりも 70 % 以上の高 MESGS (88 colors) (0.79) (0) (0.43) (0.40) (0.21) 速化を達成できた. CPU: Intel Xeon E5-2687W v2 (3.4 GHz), API for parallelization: OpenMP 224

231 Vibration Amplitude-Dependent Natural Frequency and Damping Ratio of Repaired Pier Model リームアルセナウィ (D3) Reem. Al SEHNAWI (D3) 宇都宮大学大学院工学研究科システム創成工学専攻 ( 指導教員 ) 中島章典 ( 教授 ) Akinori NAKAJIMA (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究部循環生産研究部門 1. 出席会議名 7th European Workshop on Structural Health Monitoring 国名 : フランス都市名 : ナント開催期間 : 2014 年 7 月 8 日 ~ 2014 年 7 月 11 日 2. 発表概要構造物の固有振動数や減衰定数などの固有振動特性は振幅依存性を有することが知られている. 既往の研究では, 構造物の固有振動特性の振幅依存性が弾性範囲では実験的に検討されているが, 非弾性範囲についてあまり検討がなされていない. そこで本研究では,RC 橋脚模型を対象として振動台を用いた強制振動実験を行い, 非弾性範囲においても固有振動特性に振幅依存性を詳細に調べた. 振動台実験では, 橋脚基部付近のコンクリートのひび割れ発生, ひび割れ幅の増大, さらに, 鉄筋の降伏が生じるように, 加振力を段階的に増加させ, 各段階で自由振動実験により固有振動特性の振幅依存性を確認した. さらに, 橋脚基部付近のコンクリートのひび割れに対して, エポキシ注入あるいは FRP シート巻き立てを行い, その補修の効果を再度, 自由振動実験および振動台加振実験により確認した. その結果, 損傷を受けた後に補修した RC 橋脚模型の固有振動数および減衰定数の振幅依存性は, 定性的および定量的にも損傷を受ける前の RC 橋脚模型の固有振動数および減衰定数の振幅依存性に類似していることがわかり, また, いずれにしても RC 橋脚模型の固有振動数および減衰定数の振幅依存性は顕著であることが認められた. 謝辞本研究の共著者である元宇都宮大学大学院生の竹嶋竜司氏 ( 現株式会社 IHI インフラシステム ) には, 実験の実施およびデータ整理などで大変お世話になりました. また, ダマスカス大学 ( シリア共和国 ) の Hafez Al SADEQ 先生には本文の取りまとめに際して種々の有用なご議論をいただきました. ここに記して謝意を表します. 225

232 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ヤングイノベーションスカラーシップ国際会議報告書 Tubular palladium membrane with metallic interlayer durable below the critical temperature 菊池陽介 (M1) Yosuke Kikuchi(M1) 宇都宮大学大学院工学研究科物質環境化学専攻 ( 指導教員 ) 伊藤直次 ( 教授 ) Naotsugu Itoh (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科物質環境化学専攻 1. 出席会議名 13 th International Conference on Inorganic Membranes 国 名 : オーストラリア 都市名 : ブリスベン開催期間 : 2014 年 7 月 6 日 ~ 2014 年 7 月 9 日 2. 発表概要現在 水素分離膜を用いた燃料電池用の高純度水素製造が期待されている 水素分離膜として 多孔質支持体上に金属パラジウムを成膜した複合膜が 高い透過性能を有するため注目されている しかし パラジウムのα 相 -β 相間の臨界温度 (298 ) 以下では 水素吸脱に伴う内部応力の発生が顕著になり 支持基材からの剥離や膜に欠陥が生じるため耐久性が乏しい 本研究では パラジウムと多孔質アルミナの間に金属中間層を導入し接合力を強めることで 臨界温度以下における管状パラジウム複合膜の耐久性向上を目指した 図 1に金属中間層として白金を導入したパラジウム複合膜の気体透過試験の結果を示す パラジウムのみを成膜した複合膜では 支持基材からの剥離により水素選択性が低下した しかし 金属中間層として白金を導入した複合膜は 窒素透過量の増加を抑制し高い水素選択性を維持した 白金層の導入により 内部応力が緩和され耐久性が向上したことを確認した 図 1 Pd/Pt/Al 2 O 3 の気体透過試験結果 図 2 13 th ICIM 会場にて 226

233 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ヤングイノベーションスカラーシップ国際会議報告書 Continuous water vapour separation with CHA type of zeolite composite membrane for IPA-water mixture 菊地悠平 (M1) Yuhei Kikuchi(M1) 宇都宮大学大学院工学研究科物質環境化学専攻 ( 指導教員 ) 佐藤剛史 ( 准教授 ) Takafumi Sato (Associate Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科物質環境化学専攻 1. 出席会議名 13th International Conference on Inorganic Membranes 国名 : オーストラリア都市名 : ブリスベン開催期間 : 2014 年 7 月 6 日 ~ 2014 年 7 月 9 日 2. 発表概要イソプロピルアルコール (IPA) は溶剤や電子部品の洗浄用として用いられる重要なアルコールの一種である この IPA の分離精製は 3 本の蒸留塔を組み合わせた複雑なプロセスにより行われており エネルギー消費が大きいことが問題となっている そこで近年 蒸留に代わる省エネルギーな分離手段としてゼオライト膜による膜分離が注目されている 本研究では ゼオライト膜分離の実プロセスへの導入を目指し IPA- 水混合物に対して高い分離性能が期待される CHA 型ゼオライト膜の合成を行った また 合成した膜により IPA の濃縮を行い 洗浄剤として使用可能な IPA 濃度 99.5wt% まで濃縮することを目指した Fig.1 は合成した CHA 型ゼオライト膜の表面および断面の SEM 画像であるが 多孔質の支持体上に膜が密に合成されていることがわかる また 合成した膜は非常に高い水選択透過性能を示し こ Fig.1 CHA 型ゼオライト膜の膜による脱水を繰り返すことで IPA を 99.5wt% 以上の濃度まで濃の SEM 画像縮することに成功した (Fig. 2) また 数値解析による IPA 濃縮過程のシミュレーション結果が実験結果と一致することを確認した 謝辞本研究は NEDO( 規則的ナノ多孔精密分離部材基盤技術の開発 ) の支援を受けて行われました ここに感謝申し上げます Fig.3 13thICIM 会場にて Fig.2 IPA 濃縮試験結果 227

234 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ヤングイノベーションスカラーシップ国際会議報告書 Inhibitory Control of Quorum Sensing due to Enzymatic Degradation of Autoinducers by Encapsulated Bacteria 川上玲 (M1) Rei Kawakami(M1) 宇都宮大学大学院工学研究科学際先端システム学専攻 ( 指導教員 ) 加藤紀弘 ( 教授 ) Norihiro Kato (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科学際先端システム学専攻 1. 出席会議名 International Union of Microbiological Societies Congresses 2014(IUMS2014), XIVth International Congress of Bacteriology and Applied Microbiology 国名 : カナダ都市名 : モントリオール開催期間 : 2014 年 7 月 27 日 ~ 2014 年 8 月 1 日 2. 発表概要 バクテリアの細胞間情報伝達機構の 1 つである Quorum sensing (QS) は N- アセルホモセリンラク トン (AHL) を情報伝達物質とする濃度依存性遺 伝子発現機構である 菌体増殖に伴う AHL 濃度 の上昇により QS ターゲット遺伝子の転写活性が 上昇するため AHL の分解は QS 阻害法として有 効である 本研究では AHL 分解酵素を生産する Quorum quenching (QQ) 細菌を環境試料から単離 し 非接触ジェットディスペンサーを用いてアル ギン酸カルシウムゲルミクロスフェアに包括固 定した このミクロスフェアをモデル QS 細菌 ( セ ラチア菌 ) の培養液に混合することで 効果的に QS 機構を抑制可能となることを AHL 濃度依存 性 prodigiosin 生産を指標として示した 謝辞 本研究を行うにあたり下記の共同研究者の方々にご指導 ご協力を頂きました 心よりお礼申 し上げます 加藤紀弘教授 池田宰教授 飯村兼一准教授 諸星知広准教授 奈須野恵理助教 修士 2 年高橋尚之氏 (A) Autoinducerdegrading bacteria R O N H O AHL acylase O Autoinducer:AHL (N-acylhomoserine lactone) (B) AHL-degrading bacteria R O OH H 2N Autoinducer (AHL) O O Complex formation activation Receptor QS target gene Specific gene expression シグナル分子 AHL 分解細菌の共培養による細胞間情報伝達機構 (Quorum Sensing) の阻害 Relative QS Inhibition Gel microspheres Pseudomonas sp QS bacteria (Serratia marcescens) Microsphere / wt% AHL 分解酵素生産菌 (Pseudomonas sp. 93) を包括固定したミクロスフェアを添加する QS 菌 (Serratia marcescens AS-1) の QS 阻害試験 (30ºC, 16 h). 228

235 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ヤングイノベーションスカラーシップ国際会議報告書 Interaction Analysis between Quorum Sensing Receptor SpnR and Its Signaling Molecule on a Quartz Crystal Microbalance 髙山友理子 (M2) Yuriko Takayama(M2) 宇都宮大学大学院工学研究科学際先端システム学専攻 ( 指導教員 ) 加藤紀弘 ( 教授 ) Norihiro Kato (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科学際先端システム学専攻 1. 出席会議名 International Union of Microbiological Societies Congresses 2014(IUMS2014), XIVth International Congress of Bacteriology and Applied Microbiology 国名 : カナダ都市名 : モントリオール開催期間 : 2014 年 7 月 27 日 ~ 2014 年 8 月 1 日 2. 発表概要 Quorum Sensing (QS) 機構は バクテリアが生産するシグナル分子の濃度上昇により 特定遺伝子の発現を制御している QS 機構により 日和見感染症の発現 バイオフィルムの形成など様々な細胞機能が制御されている 本研究では N-Acylhomoserine lactone (AHL) をシグナル分子とするモデル細菌 Serratia marcescens AS-1 の AHL レセプター SpnR を遺伝子工学的手法により大量取得した AHL 修飾した水晶振動子マイクロバランス法 (QCM) 電極を作製し SpnR を添加することで AHL-SpnR 相互作用を定量的に in vitro 解析可能である spnr pmal-spnr E. coli HN O C S S O N H spnr SpnR receptor spni AHL SpnR Complex MBP-tag O SpnR AHL 固定化センサー電極の作製 O 遺伝子工学的手法を用いた AHL レセプター SpnR の精製 0 2,000 4,000 time / min 固定化 AHLとMBP-SpnRの相互作用 QCMセンサーグラム 水晶振動子マイクロバランス (QCM) 法を用いた AHL SpnR 間相互作用の in vitro 解析 F / Hz Serratia marcescens AS-1 0 1,000 2,000 3,000 N H N-acylhomoserine lactone (AHL) O O MBP-SpnR O F w F 2 F s 謝辞共同研究者 : 加藤紀弘, 池田宰, 飯村兼一, 諸星知広, 奈須野恵理, 伊藤智志, 岡野千草, 梅村拓登, 斉藤悠生ご援助くださりありがとうございました たいへん有意義な体験ができました 関係者の皆様にお礼申し上げます 229

236 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ヤングイノベーションスカラーシップ国際会議報告書 Grasping a Virtual Object with a Bare Hand 鈴木奏太 (M1) Sota SUZUKI(M1) 宇都宮大学大学院工学研究科情報システム科学専攻 ( 指導教員 ) 佐藤美恵 ( 准教授 ) Mie SATO (Associate Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科情報システム科学専攻 1. 出席会議名 SIGGRAPH2014(The 41st International Conference and Exhibition on Computer Graphics and Interactive Techniques) 国名 : カナダ都市名 : バンクーバー開催期間 : 2014 年 8 月 10 日 ~ 2014 年 8 月 14 日 2. 発表概要ユーザと仮想物体のインタラクションのためには, ユーザの位置情報の取得が重要である. 従来研究ではマーカやグローブの装着をすることでユーザの位置情報を得ていたが, 本研究では装着による違和感をなくすため,3 次元計測器を用いてユーザの位置情報を得た. また, 仮想物体に対するインタラクションの一つとして, 掴み動作に着目した. 掴み動作は, 単に触れる動作に比べ物体との接触時間が長く, インタラクションの際に視覚的な違和感を与えやすい. 本研究では, ユーザが仮想物体を掴む際の視覚情報を実空間に近づけることで違和感の軽減を図る. 図 1 に本システムの実行結果を示す. 手の位置に合わせて仮想物体が移動していることや, 仮想物体よりも奥の指が隠れて見え, 仮想物体と指の前後関係に矛盾がないことが確認できる. 以上より, 素手でのインタラクションと, 視覚的に違和感を軽減した掴み動作が実現されていることがわかる. 今後, 本システムがユーザと仮想物体との自然なインタラクションを実現させるために役立つと期待される. (a) 掴んだ場合 (b) 持ち上げる場合 (c) 移動させた場合 (d) 放した場合 図 1 システムの実行結果 謝辞 本研究を進めるにあたり, 終始変わらぬご指導, ご鞭撻を賜った佐藤美恵准教授, 鈴木遼人様に深謝を申し上げます. 230

237 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ヤングイノベーションスカラーシップ国際会議報告書 Real-time Avatar Motion Synthesis by Replacing Low Confidence Joint Poses 田中里奈 (M1) Rina TANAKA(M1) 宇都宮大学大学院工学研究科情報システム科学専攻 ( 指導教員 ) 東海林健二 ( 教授 ) Kenji SHOJI (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科情報システム科学専攻 1. 出席会議名 SIGGRAPH2014 国名 : カナダ都市名 : バンクーバー開催期間 :2014 年 8 月 10 日 ~ 2014 年 8 月 14 日 2. 発表概要深度センサを利用したモーションキャプチャではマーカ等を身につける必要がないため, ユーザの動きに応じて気軽に CG アバタを操作することが可能である. しかし, 計測環境や測定誤差の影響によって骨格情報に誤認識が起き, 対応するアバタの姿勢に破綻が生じることがある. そこで本発表では, 誤認識された破綻部位を推定し, 近似姿勢に部分的に置換することで自然に見えるアバタの動作を生成する手法を提案する. 取得した姿勢情報 ( 図 1(a)) の中で, 信頼できる骨格部位 ( 図 1(b) 青色 ) についてはアバタにそのまま反映し, 破綻部位 ( 図 1(b) 赤色 ) と未取得部位 ( 図 1(b) 黄色 ) については近似姿勢の対応する骨格部位に置換することで ( 図 1(c) 緑色 ), 取得した姿勢情報を重視したアバタの動作を生成する ( 図 1(d)). (a) (b) (c) (d) 図 1. 生成結果 謝辞 本発表にあたり, 終始変わらぬ御指導, 御鞭撻を賜りました森博志助教に深く感謝の意を表します. また, 数多くの有益な助言をいただいた東海林健二教授, 外山史准教授にも感謝の意を表します. 231

238 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ヤングイノベーションスカラーシップ国際会議報告書 FUNDAMENTAL PROPERTIES OF AMBIENT TEMPERTURE-CURED ULTRA-HIGH-STRENGTH FIBER-REINFORCED CONCRETE 井口舞 (M2) Mai IGUCHI(M2) 宇都宮大学大学院工学研究科地球環境デザイン学専攻 ( 指導教員 ) 藤原浩巳 ( 教授 ) Hiromi FUJIWARA (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科地球環境デザイン学専攻 1. 出席会議名 5th International Conference Non-traditional Cement& Concrete 国名 : チェコ共和国都市名 : ブルノ開催期間 : 2014 年 6 月 16 日 ~ 2014 年 6 月 19 日 2. 発表概要超高強度繊維補強コンクリート (UFC) は 圧縮強度が 150N/mm 2 に達する優れた強度発現性と塩化物イオンをはじめとする有害因子に対する侵入抵抗性 凍結融解作用に対する優れた耐久性 繊維添加による高い靭性を有し 近年実用化に至った しかし 多くの UFC は主に工場でプレキャスト部材として製造される このような場合 生産性や製品の精度 品質が安定 向上する利点はあるが 蒸気養生の工程 製品の運搬 設置工程が必要となり 製造コストの上昇や部材寸法に制限が生じる そのため 近年では UFC の更なる普及のため UFC の特徴である超高強度 高耐久性を有し 通常のコンクリート同様に現場施工を可能とする常温硬化型 UFC について検討が進められている このように さらなる UFC 技術の拡大 普及のためには 常温硬化型 UFC の様に UFC の汎用性を拡げていくことが必要であると考えられる 本研究では 混和材の反応性を高めることを目的として試作した高エーライトセメント (HAC) と普通ポルトランドセメント (OPC) を用い常温硬化型 UFC の製造可能性を検討するとともに その基本性状を把握することを目的として実験を行った その結果 OPC を用いた場合の方が高性能 AE 減水剤の添加率が抑えられ フレッシュ性状に優れることが確認できた また 強度試験においても 汎用性が高い OPC を用いた方が材齢 28 日で圧縮強度 170N/mm 2 曲げ強度 45N/mm 2 となり強度発現性に優れる結果となったため 常温硬化型 UFC の製造は可能であるといえる 謝辞 実験の遂行にあたり ( 株 ) デイ シイの鯉渕清氏 二戸信和氏にはお忙しい中ご協力を頂きま した ここに記して感謝の意を表します 232

239 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ヤングイノベーションスカラーシップ国際会議報告書 A Study on Indoor Position Estimation based on fingerprinting using GPS signals 落合正幸 (M1) Masayuki Ochiai (M1) 宇都宮大学大学院工学研究科情報システム科学専攻 渡辺裕 ( 教授 ) Yu Watanabe (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科情報システム科学専攻 1. 出席会議名 Fifth International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation 2014 国 名 : 韓国 都市名 : 釜山開催期間 : 2014 年 10 月 27 日 ~ 2014 年 10 月 30 日 2. 発表概要屋外で位置情報を取得する際には, 一般的に GPS が用いられている. しかし, 屋内では周辺の建造物や屋根によって信号が遮蔽されるため, 測位不能に陥ることや誤った地点を測位結果として導くという問題がある. 従来の屋内位置推定手法として無線 LAN や Bluetooth,Zigbee 等の無線技術を用いたものがあるが, 新たな機器をインフラとして設置する必要がある. 本研究では, 新たなインフラを必要としない屋内位置推定手法を提案した. 各衛星からの受信信号強度が受信場所ごとに異なることを利用して, フィンガープリント技術による位置推定を検討した. 宇都宮大学情報工学棟 3 階の 303 室と 310 室で同時刻に取得した受信信号強度 謝辞 本研究を進めるにあたり, 日頃からご指導, ご教授を頂いた渡辺裕教授, 伊藤篤教授, 藤井雅 弘准教授, 羽多野裕之助教に, この場を借りて感謝の意を述べさせて頂きます. 233

240 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ヤングイノベーションスカラーシップ国際会議報告書 Highly durable composite palladium membrane prepared introducing a metallic interlayer and a surface alumina coating layer below 573K 大島淳志 (M1) Atsushi Oshima(M1) 宇都宮大学大学院工学研究科物質環境化学専攻 ( 指導教員 ) 伊藤直次 ( 教授 ) Naotsugu Itoh (Professor) 宇都宮大学大学院工学研究科物質環境化学専攻 1. 出席会議名 2014 American Institute of Chemical Engineers Annual Meeting 国名 : アメリカ合衆国都市名 : アトランタ開催期間 : 2014 年 11 月 16 日 ~ 2014 年 11 月 21 日 2. 発表概要 石油の代替エネルギーとして水素が注目されており 水 素の分離 精製は重要な課題である 金属パラジウムを多 孔質支持体上に成膜したパラジウム複合膜は水素分離へ の利用が期待されている しかし 低温領域 (573K 以下 ) において水素吸蔵 放出時の体積膨張 収縮の影響が顕著 に表れ 膜が支持体から剥離することが知られている さ らに 反応器由来の不純物が膜に付着し Kirkendall 効果 によって欠陥が発生することも確認されている 本研究では低温 耐久性を示す Pd/Pt 複合膜にアルミナゾルをコーティングするこ とで体積膨張の抑制によるさらなる低温耐久性の向上と膜表面 の保護が可能であると考えた 図 1 にアルミナゾルをコートした Pd/Pt 複合膜の試験結果であ るが 窒素透過量はほぼ検出限界以下であり 高い水素選択性を 示した 図 2 にアルミナコート複合膜と非コート複合膜の表面 SEM 画像を示す アルミナゾルをコートすることが膜表面の保 護と低温耐久性の向上に効果的であることが分かった 図 1 アルミナコート Pd/Pt 複合膜 の試験結果 Alumina coated membrane No Defects Non coated membrane Defects 2.5 μm 1 μm 謝辞 アルミナゾルを提供してくださった川研ファインケミカル様 に感謝を申し上げます 図 2 アルミナコート Pd/Pt 複 合膜 ( 上 ) と非コート Pd/Pt 複合 膜 ( 下 ) の試験後の SEM 画像 234

241 平成 26 年度宇都宮大学 CDI 部門ヤングイノベーションスカラーシップ国際会議報告書 APOBEC2 Deficiency Causes Increased Autophagy and Abnormal Mitochondria in Skeletal Muscle 藤田優平 (M1)Yuhei Fujita(M1) 宇都宮大学大学院農学研究科生物生産科学専攻 ( 指導教員 ) 佐藤祐介 ( 助教 ) Yusuke Sato (Assistant Professor) 宇都宮大学大学院農学研究科生物生産科学専攻 1. 出席会議名 Asian-Australasian Association of Animal Production Societies(AAAP) 国名 : インドネシア都市名 : ジョグジャカルタ開催期間 : 2014 年 11 月 10 日 ~ 2014 年 11 月 14 日 2. 発表概要骨格筋は動物の身体で最大の器官であり 運動やエネルギー代謝を行うなど重要な役割を果たしている 骨格筋量の減少メカニズムが解明されることで ヒトでは老化に伴う筋萎縮や糖尿病など代謝疾患の予防が 家畜では畜肉の生産量の増加が期待できる これまでに 筋特異的脱アミノ化酵素である APOBEC2 を欠損すると 骨格筋の萎縮や筋疾患様の表現型を示すことがわかっているが そのメカニズムは解明されていない 本研究では APOBEC2 欠損マウスの骨格筋中で ミトコンドリアのオートファジー ( マイトファジー ) が亢進していることを明らかにした また メタボローム解析の結果から APOBEC2 欠損マウスでは ミトコンドリアに関係する代謝物に変化があることを突き止めた 謝辞 AAAP 大会に参加するにあたり研究やポスター制作など熱心にご指導していただいた佐藤祐介助教に心より感謝申し上げます また 共同研究者である大坪秀明氏 水野谷航助教 辰巳隆一准教授 池内義秀氏 本研究室の指導教員である吉澤史昭教授 菅原邦生教授にもこの場を借りて厚く御礼申し上げます 最後になりますが AAAP プレゼンテーションアワードを採択してくださった日本畜産学会の皆様 国際会議奨励グラントを採択してくださった宇都宮大学 CDI 管理室の皆様に感謝いたします 235

242 4. 平成 26 年度 CDI 活動 オープンキャンパス公開報告 全国 VBL フォーラム参加報告 4.3 CDI 講演会報告 4.4 非常勤研究員 ヤングスカラー研究成果報告会 4.5 その他活動の様子 236

243 宇都宮大学オープンキャンパス 平成 26 年 7 月 21 日 ( 月 ) 進学を希望する高校生と一般市民の方々を対象とした 2014 宇都宮大学オープンキャンパス が開催され CDI 棟には 118 名の見学者があった CDI では 1 階ロビーと2 階研究室にてポスドクによる研究公開を行い CDI 棟のプロジェクト実験室を使用している研究者による実験室公開 2 階ブレインコミュニケーションルームにて小型ヘリコプター操作体験なども行った CDI 棟公開展示の様子 出展協力者ポスドク ( サラントラガ, 大塚嵩光 ) 出展協力者ポスドク ( 北野雄大 ) 各研究室公開 小型ヘリコプター操作体験 237

244 4.2 全国 VBL フォーラム参加報告 平成 26 年 9 月 19 日 ( 金 ) 20 日 ( 土 ) に信州大学にて 第 11 回全国 VBL フォーラム が開催された 本フォーラムは 全国の大学に設置されているベンチャー ビジネス ラボラトリー (VBL) および産学連携支援組織の間における情報交換の場を提供する目的で開催されるフォーラムである 今回は ベンチャーマインド教育と地域貢献 と題し VBL に求められるアントレプレナー教育の役割と取り組みについて 参加機関 28 大学 36 名で議論をおこなった 開催概要 開催日程 :2014 年 9 月 19 日 ( 金 )13:15-17:00 29 日 ( 土 ) 9:30-12:00 場所 : 信州大学上田キャンパス総研棟 ( 上田市常田 ) 趣旨 : 全国の大学の VBL や産学連携支援に携わる関係者が一堂に会し 大学のベンチャー創出 支援やベンチャーマインド醸成等 VBL 活動についての状況や意見を交換し合い 今後の VBL の方向性の指針を得る場とする 9 月 19 日 ( 金 ) 講演会 Ⅰ 演題 : 地元 のビジネス化 県外から長野県を盛り上げる 講師 : 株式会社地元カンパニー代表取締役児玉光史氏内容 :2012 年に創業した経緯とその取組みに関する講演があり 地元企業が求める大学と VBL の役割について議論を深めた 講演会 I の様子 ベンチャーマインド教育と地域貢献長野県にある信州大学や松本大学の取組みや長野県の企業支援状況について以下の5 名の講師による報告があり 長野県としての官学連携による全体像が示されるとともに教育と地域貢献の在り方について議論された 事例紹介の様子 238

245 笹本正治氏 ( 信州大学地域戦略センター長 ) 信州大学と地域貢献 水野尚子氏 ( 松本大学人間健康学部健康栄養学科助手 ) 松本大学の地域連携教育貢献に関する取り組み事例 高橋進氏 ( 信州大学企業情報学部教授 ) 地域とともに歩む長野大学 長野大学の地域連携プロジェクト 内田雅啓氏 ( 長野県産業労働部産業立地 経営支援課長 ) 日本一創業しやすい環境を目指して 長野県は創業を応援します 小西哉氏 ( 信州大学 SVBL 長 ) 信州大学 SVBL の紹介 教育活動を中心に 9 月 20 日 ( 土 ) 報告会 アントレプレナーシップ教科書について と題し 就実大学の三枝省三先生と福井大学の竹本拓治先生から 教科書作成の経緯と発行スケジュールについて進捗状況の説明があった 続いて アントレプレナー教育プログラムについて と題し 平成 26 年度グローバルアントレ報告会の様子プレナー育成促進事業として 大阪大学の兼松泰男先生からは 世界適塾 魁の説明があり 九州大学の谷川徹先生からは グローバル人材育成エコシステム形成事業 の説明があった 講演会 II 演題 :EDGE 事業について イノベーション エコシステムの構築に向けて講師 : 中澤恵太氏 ( 文部科学省科学技術政策局産業連携 地域支援課課長補佐 ) 内容 : グローバルアントレプレナー育成促進事業 (EDGE) の経緯と現状に関する詳細について講演がおこなわれた グループ討議 ( テーマ : 大学におけるアントレプレナー教育の位置付けと課題 ) 事前アンケートにもとづいて3つの議題 ( アントレプレナー教育を普及させるには 学生の積極的な参加を呼び込む為には アントレプレナー教育の実施者を育てるには ) を設定し 大学におけるアントレプレナー教育の位置付けと課題に関する全体討議をおこなった 新しく発足した本 CDI 部門の活動方針および活動内容について 事前に提出した冊子用の紹介チラシおよびポスター展によって紹介した 239

246 作成した展示用ポスター 240

247 4.3 平成 26 年度 CDI 講演会 11 月 11 日 ( 火 ) 平成 26 年度 CDI 講演会が開催され 池田貴裕氏 ( パイフォトニクス 株式会社代表取締役 ) 石川正俊氏 ( 東京大学情報理工学系研究科教授 ) の2 名の講師から産学官連携に関する貴重な講演を拝聴した 学内外を含め89 名の参加者があった 挨拶高山善匡部門長 司会早崎芳夫教授 講師池田貴裕氏 講師石川正俊氏 会場の様子 会場の様子 241

248 C D I 講演会 日時平成 26 年 11 月 11 日 ( 火 ) 14:30~16:50 場所アカデミアホール ( 宇都宮大学工学部 ) 宇都宮市陽東 7 丁目 1 番 2 号講演 Ⅰ 起業実践を通じた光産業創成 講師 池田貴裕氏 わだ まさみつ Creative Department for Innovation ホロライトの事業化開発とその展望 (14:35~15:35) いけだ たかひろ パイフォトニクス株式会社代表取締役 CHUP1 body パイフォト二クス は 2006 年に光産業創成大学院大学内で起業した浜松ホトニクス発のベンチャー企業である. 起業 1 年後に高指向性 LED 照明装置 ホロライト を開発, 現在の主力製品となる. ホロライトの応用先として, 検査, 演出, 建築, 道路, 安全, 芸術, 観光, 通信, 実験用など様々な業界分野で実用化され始めている. 本発表では, 光産業創成大学院大学のおける研究内容, 起業家精神の獲得方法, 研究者から経営者に立場を変える意義, ホロライトの事業化開発とその応用事例, 次世代型ホロライトの将来展望, 将来の夢について紹介する. 講演 Ⅱ 新しい時代の研究者像 講師 石川正俊氏 主 催 宇都宮大学地域共生研究開発センター CDI 部門 共 催 宇都宮大学工学研究科, オプティクス教育研究センター 後 援 とちぎ光産業振興協議会 連絡先 CDI 事務室 TEL&FAX (15:45~16:45) オープンイノベーション グローバル化 産学連携をどのように研究に活かせばよいのか? いしかわ まさとし 東京大学情報理工学系研究科創造情報学専攻教授科学技術の基本構造の変化に伴い, 大学における研究の位置づけや戦略も大きく変化している. 従来型の要素還元主義 改良型研究の研究から脱却し, 仮説演繹法に基づく価値創造型の研究へのシフトが求められるとともに, オープンイノベーション, グローバル化, 産学連携といった新しい波が押し寄せてきている. 一方で, 多くの研究成果は, たとえ論文になっても事業化されない場合がほとんど モーター で, 価値の創造には至っていない. 本講演では, これらの現状について, 基本的な考え方をその背景とともに様々な観点から分析し, 現状の課題を述べるとともに, 求められる新しい時代の研究者像並びに組織像を示し, 技術移転やベンチャー起業等, 自らの研究の価値を上げるためには, 何をやればよいかについて論説する. 242

249 4.4 Poster Presentation by Postdoctoral and Young Scholars, CDI, Utsunomiya University 243

250 244

251 245

252 4.5 その他 CDI 活動の様子 1) 海外若手研究者報告会 CDI 海外派遣若手研究者支援として 平成 26 年度は1 名を採択し 平成 27 年 2 月 27 日に報告会を開催した 派遣者 : 工学研究科システム創成工学専攻博士後期課程宮崎孝基氏派遣先 : アイルランド国立大学ダブリン校 [University College Dublin (UCD)] 派遣期間 : 平成 26 年 11 月 2 日 ~ 平成 27 年 1 月 29 日 (89 日間 ) 調査研究題目 : 中赤外レーザーシステムを用いた水の窓領域軟 X 線光源の為の輻射物理機構の解明 2) ヤングスカラー選考会 ヤングスカラー研究支援として 大学院生が研究者 技術者として自立する意識をもたせるとともに柔軟な発想で発見 発明を生む経験をさせるための支援をおこなった 研究グラントは DC13 名 MC26 名の計 39 名 ( 全学対象 ) を 国際会議奨励グラントは DC3 名 MC10 名の計 13 名を採択した 246

253 3) 非常勤研究員 ヤングスカラー研究成果報告会 平成 27 年 3 月 6 日アカデミアホールのエントランスにおいて ヤングスカラーおよびポストドクターの合同研究成果報告会としてポスターセッションを設けた ポスドク 4 名 ヤングスカラーシップ 52 名 (39 名 +13 名 ) の発表が行われ 多くの学内外の学生 社会人に公開できた 247

254 5 編集後記イノベーション創成部門 (CDI) の門出 イノベーション創成部門長高山善匡 平成 26 年 4 月 地域共生研究開発センターにイノベーション創成部門が設置されました 担当理事 センター長の命を受け 先生方のご意見ご指示をいただきながら 大学院 VBL 部門のやや形骸化しつつあった理念を見直し 本学の事情を踏まえた研究活動の活性化に資する事業を推進する体制へ移行できたものと考えております 初年度に実施した事業の多くは VBL 部門の事業を引き継ぐものですが CDI としての考え方を披露しつつ部門の各事業について振り返りたいと思います CDI 研究開発プロジェクトプロジェクトは VBL 部門では年を追って多岐にわたる分野に拡大してきたと肯定的に捉えられる一方で 独創的創造的な研究開発を推進する上では研究支援の集中が必要とされる状況にもありました これまで VBL プロジェクトでは資金とスペースをセットにして研究開発支援を行う体制でしたが これを大きく見直し 研究資金を提供するプロジェクト F とスペースを提供するプロジェクト S に分けて公募することにしました また プロジェクト S が競争的資金獲得実績等これまでの実績を重視して選考したのに対し プロジェクト F は今後の発展性に重きをおいた選考を行ったと考えております これは ある程度研究基盤が固まっている研究者にはスペースでの支援が また研究を発展させる過程での研究者には資金提供による支援が有効であるとの考えに基づいております 結果として CDI になってプロジェクトに採択された新しい研究者が増え またある程度限定されたのではないかと思われます 中核的研究機関研究員 (CDI ポスドク ) これはVBL 部門から継続している事業ですが これまでプロジェクトリーダーからの応募に限定して年間 3~4 名のポスドクを採用していました しかしながら CDI ではプロジェクト申請予定者に世話教員となることを認め 結果としてポスドク単独で CDI に所属する場合も認めております このように 学内の多くのプロジェクトへの多様な支援を可能にしております ヤングスカラーシップ平成 26 年度より CDI ヤングイノベーションスカラーシップと名称は変わりましたが 基本的には VBL 部門のヤングスカラーシップを継続したものです 年々応募者が増加し その採択審査には苦慮しております ですが 大学院生諸君のグローバルな成果発信の奨励と研究開発資金の支援は大学全体の研究活動の活性化に繋がるものと考えており 今後も着実に継続すべきであると考えております 海外派遣若手研究者 CDI では対象を 45 歳以下の教員 ポスドク DC 学生とし 積極的に若手研究者の海外派遣を推進しています 平成 26 年度は DC 学生 1 名を派遣しました 年度末の派遣報告会では研究成果のみならず貴重な経験が出来たことが報告され 今後に生かされることを強く感じさせました CDI 講演会プロジェクトリーダー会議での議論の結果 CDI 講演会の開催が決定されました VBL 講演会では工学系農学系の講師を一人づつ招聘していましたが CDI 講演会は一人の世話教員が二人の講師を招聘する形式に変更しました 結果として 二人の講師のご講演がある程度関連するものになり まとまった分野の貴重な講演を拝聴する機会となったものと考えております 外部との交流等夏のオープンキャンパスでの CDI 部門としての公開を1 階ロビーで続けました ポスドクの方々だけでなく プロジェクト S を進めている教員を中心に CDI 部門の活動に関わる展示を行いました また 海外を含め 学外の研究者の訪問を受け 研究成果等の紹介を行いました CDI 部門の新体制と管理室イノベーション創成部門 (CDI) は VBL 部門を発展的に改組して設置されました ようやく1 年と5ヶ月を経過しましたが 改組の真価が問われるのはこれからであろうと思っております 鈴木昇地域共生研究開発センター長はじめ 入江晃亘 東海林健二両副部門長 倉山文男コーディネータ 齊藤歌織事務補佐 地共センター関係者の方々のご指導とご協力をいただき CDI の事業を進めてまいります 今後とも 新部門へのご協力とご支援を賜りますように お願い申し上げます 248

255 6. CDI 連絡先 CDI 研究開発プロジェクトの内容を詳しく知りたい方 個々の研究プロジェクトの研究成果報告書に記載されている研究代表者に 直接お問い合わせください あるいは, 下記の CDI 事務室にお問い合わせください CDI との共同研究を開拓し 推進されたい方 個々の研究プロジェクトの研究成果報告書に記載されている研究代表者に 直接お問い合わせください あるいは, 宇都宮大学地域共生研究開発センターにご連絡ください 電話 : ( 広報室 ) Fax: CDI 施設 大型研究設備の見学など 下記の CDI 事務室にお問い合わせください CDI 事務室 (H26.4 大学院 VBL 部門からイノベーション創成部門 (CDI) に改組 ) 所在地 : 栃木県宇都宮市陽東 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門部門長 : 高山善匡教授事務室 : 電話 &Fax: ( 直通 ) 249

256 連JR バス ( 祖母井 茂木 清原球場 ベルモール前行など ) JR 宇都宮駅 JR 宇都宮駅西口バス乗場 3 番乗場で乗車 工学部前 下車 JR 宇都宮駅から約 20 分 工学部前 下車 :JR 宇都宮駅から約 20 分 東武宇都宮駅 東武駅前 バス停 ( 東武宇都宮駅西口から徒歩 2 分 ) で乗車 工学部前 下車 : 東武駅前 から約 30 分東野バス ( 真岡 益子 岡新田行など ) JR 宇都宮駅 JR 宇都宮駅西口バス乗場 14 番乗場で乗車 工学部前 下車 :JR 宇都宮駅から約 20 分 東武宇都宮駅東武宇都宮駅西口バス乗場 1 番乗場で乗車 工学部前 下車 東武駅前 から約 30 分 工学部前 下車 : 東武駅前 から約 30 分関東バス JR 宇都宮駅 JR 宇都宮駅東口バス乗場でみやバス宇大循環線に乗車 工学部正門前 下車 :JR 宇都宮駅東口から約 15 分タクシー :JR 宇都宮駅東口乗場から約 10 分 東武宇都宮駅西口乗場から約 20 分 絡先事 務 室 所 在 地 ホームヘ ーシ アト レス 宇都宮市陽東 宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門 TEL: FAX: 編集 発行 : 平成 27 年 9 月宇都宮大学地域共生研究開発センターイノベーション創成部門

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