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東京電機大学博士（工学）2022doctoral thesi

バーハ, カーマーン

 
東京電機大学大学院 
学位論文内容の要旨 
報告番号 先端科学技術甲第 175号 氏 名 バーハ カーマーン 
論文題目 未知語抽出システムの開発と英語読解力の向上の比較                                                         
 現代，急速な情報通信技術(ICT)の進展とともに，パソコン，タブレットやスマートフォンなどが
普及し，教室内で知識を得るだけでなく，教室外でも ICT デバイスを介して学ぶことが可能である．
教育改革における総合学習の導入により，構成主義に基づく教育の重要性がさらに高くなっていく
と考えられる．本論文は構成主義の教育理論とマルチメディア学習の認知理論に基づき，英文から
単語を抽出して語彙学習の教材を自動で作成できる Word-level Classification and Vocabulary Learning 
（WCVL）システムをウェブレスポンシブデザインで開発し，WCVL システムを用いた様々な語彙
練習を通して，未知語学習の新しいアプローチを検討したこととシステムの有効性の調査について
記述したものであり 6 章から構成される． 
 第 1 章では，本論文の研究の動機となった背景，目的，本研究の方法について述べている．急速
な情報通信技術(ICT)の進展と教育への応用の重要性，外国語としての英語学習(EFL)における語彙
学習と学習者の読解力の向上について説明した．外国語としての英語学習者の読解力を向上させる
方法は様々な方法がある．語彙学習も読解力を向上される方法の一つである．英語の語彙力を向上
させると，英文を読むときの理解が深まると考えられる．そこで，KH Coder，Word Level Checker 
(Someya’s Website)などの従来型形態素解析システムや Quizlet などの有名な英単語学習システムの
欠点についても説明した．以上のことから，本研究では，英文を読む前に英単語を学習すると学習
者の読解力を向上することを目的として，構成主義の教育理論とマルチメディア学習の認知理論に
基づき，英文から英語の単語を抽出して語彙学習の教材を自動で作成し，マルチデバイス対応でき
る WCVL システムを開発することである．  
 第 2 章では，システムを開発するための Waterfall Methodologies Model，マルチメディア学習の認
知理論(CTML)，構成主義，参照した SVL12000（Standard Vocabulary List）語彙データベースについ
て述べている．Waterfall Methodologies Model では各段階が終了してから次の段階を開始し，段階間
の重なりはない手法である．本研究ではこのモデルに基づいて開発を行い，要求分析段階，システ
ムデザイン段階，実装段階，セットアップ段階および評価段階の５段階に分けた．システムデザイ
ン段階ではマルチメディア学習の認知理論(CTML)のガイドライン通りにシステムを設計した．絵 
(Picture)，文字(Text)，音(Sound)などの単一メディアを 2 種類以上組み合わせることが多く，学習者
の学習能力を効果的に促進するマルチメディアを開発するため，文字だけの単体メディアや音声だ
けの授業よりも，学習の動機付けを促し，授業内容を理解することができるものとした．また，
WCVL システムの評価段階では，構成主義理論の考え方のもとで，学習者または被験者が教師側か
 
ら提示される英文を学習するのみならず，自分が興味を持っている英文も学習できるようにした．
構成主義は教師側から一方的に学習者に知識を教え込むことでなく，学習者中心へ，「教えること」
から「学ぶこと」への転換を方向づけるものである． 
 第 3 章では，2 章で説明した Waterfall Methodologies Model が各段の詳しいことを説明した．要求
分析段階ではユースケース図で WCVL システムの相互作用を表した．これにより，システムデザ
イン段階は正しく綺麗にユーザーインターフェイスを表示することができるレスポンシブウェブ
アプリケーションを応用し，Adobe XD でレイアウトをデザインした．その後，実装段階では
Model-View-Controller (MVC)デザインパターンでプログラミングを行った．最後に，評価段階パイ
ロットスタディとしてタイでの高校生と東京電機大学での 3・4 年の学生からの意識のアンケート
の調査を行い，各質問項目が全体として同じ概念や対象を測定したかどうかを評価する信頼係数 0 
〜１である Cronbach's Alpha Reliability Index（CARI）を求めた．CARI のα係数は 0.7 以上で信頼性
良好とするのが一般的であり，本研究のパイロットスタディのα係数がそれぞれ 0.899，0.898 の評
価を得た． 
 第 4 章では，単語力，読解力の事前・事後テストを比較するために，実験デザイン，対象者，学
習のスケジュール，事前・事後テストのデザイン及びシステムを利用した後の学習者の意識のアン
ケートについて述べている．タイ人被験者は General Aptitude Test (GAT Test)を利用し、日本人被験
者は TOEIC テストの得点で読解力の事前・事後のテストスコアを比較した。 
 第 5 章では，提案した WCVL システムを利用した後，学習者の単語力，読解力の向上性を評価
するために事前・事後テスト結果の比較と提案したシステムに対する学習者の意識のアンケートを
調査結果の説明と考察について述べている．本研究では事前・事後テストの総合点数の Pair-Sample 
t-Test 結果を比較した。理論的には P の値は 0.05 より小さいことが期待される，その結果，P の値
は 0.000（タイ），0.117（日本）であった。つまり，タイの高校生に対しては，提案したシステムを
利用した上で単語力および読解力の向上が顕著にみられた．一方，東京電機大学での 3・4 年の学
生に対して，読解力の向上に関しては、明白な肯定的結果は得られなかったが，リスニングにおい
ては得点の向上が見られた．また，学習者の意識のアンケートの結果により，両国の学生は WCVL
システムへの満足度が高いことがわかった． 
 第 6 章では，本論文の社会的貢献，限界，今後の方向性，結論についてまとめている． 
 以上のことから、本研究は，構成主義と CTML 理論に基づく英語語彙学習支援システムの開発を
行った．開発においては，形態素解析やレスポンシブウェブアプリケーションといった様々な技術
を利用した．開発したシステムでは，英文の形態素解析や 6 種類の単語学習教材を提案した．さら
に，タイでは，あらゆる英文から自動でレベル分けされた単語を抽出し，タイ語の意味を付加する
仕組みはまだ開発されていないため，本研究では最初の開発例である．事前・事後テスト結果や学
習者の意識のアンケートの結果により学習者の意識のアンケートの結果により学習者の意識のア
ンケートの結果、または、本研究が開発したシステムの応用可能な点で極めて有用であることが実
証された． 


English

未知語抽出システムの開発と英語読解力の向上の比較

山岸, 航平

ヤマギシ, コウヘイ

 
東京電機大学大学院 
学位論文内容の要旨   
報告番号 先端科学技術甲第 176号 氏 名 山岸 航平 
論文題目 未知の環境およびタスク群における群ロボットの自律運用に関する研究 
本論文はロボット個々では解決できないタスク群に対して，複数のロボット群を並列分
散的に運用することで解決する複数ロボット群制御について述べる．群ロボットシステム
の応用事例として，ロボット個々の並列分散行動や単一ロボット群の集団協調行動を用い
て，多数搬送や重量物搬送といった単一タスクを解決することができるアプリケーション
が実現している．しかし，タスクベースのシステムは，タスクの条件変化に対応すること
ができず，本来の群ロボットシステムの活躍が期待される未知環境における未知のタスク
群に従事することができない．そこで，本論文は環境内のタスクを発見しそれを解決可能
な集団を構築する自己組織化と群を保って移送し，集団構造を保って移動する機能別のロ
ボット群集団行動手法を提案する．そして，この制御を適用した複数のロボット群を同環
境で運用するための衝突回避手法を提案する． 
本論文は全 7章から構成されている． 
第 1 章は序論であり，本研究の背景である群ロボットシステムについて説明するととも
に，群ロボットアプリケーションの課題について述べる．これらを通じて研究の目的を明
確にするとともに，目的を達成するための要素技術についてまとめている． 
第 2 章はロボット群を目的地へ届ける移送手法を開発する．本章は移送中の環境構造に
適応する柔軟な集団形状と開環境で集団密度を高く，少ない占有面積で移動する強硬な集
団形状の 2 つの状態を使い分ける制御を実現するために，熱力学の量状態を再現する新た
な群制御手法を提案する．自律分散的にロボットの移動と制御状態の遷移を制御するため
に，本提案手法は隣接ロボットや障害物に対する相対位置に基づく制御を考え，隣接ロボ
ットに対する距離ポテンシャルと障害物に対する斥力ポテンシャルで構成される．この提
案手法がもつ強硬性と柔軟性について数値計算を通じてその性能と有効性を確認する． 
第 3 章は散らばったロボット群から集まったロボット群を形成する自己組織化手法を開
発する．本章は集団で解決するタスクの規模や形状，密度に適した規則的に配置された(負
荷が均一な)ロボット群を提供するために，結晶成長を応用した新たな自己組織化手法を提
案する．ロボットの自己組織化集団発見前の環境探索行動とその集団発見後の吸着箇所探
索行動の滑らかな遷移のために連続的な反応拡散モデルと目的のロボット群を同期的に構
築する組織化判断のために離散的なセルオートマトンを適用することで，ロボットは自律
 
分散的に規則的なロボット群を組織する．この提案手法について，実際の結晶成長過程を
再現した手法と本手法の同期成長を比較し，本手法が同期的な集団形状を構築できること
を検証する． 
第 4 章はタスクに適したフォーメーションを保持する集団移動手法を開発する．第 3 章
で開発したタスクに適した集団構造のロボット群の位置関係を保持して移動するために，
位置ポテンシャルを適用した集団移動手法を提案する．本手法で提案する位置ポテンシャ
ルは第 2 章で用いた距離ポテンシャルに対して，集団構造の格子数に応じた簡素な角度ポ
テンシャルを適用することで組織化した集団構造を保持する．この提案手法について，各
集団構造で構築した多様なフォーメーションを保持しながら集団移動できることを数値計
算と実機を用いて評価する． 
第 5 章は複数の強硬なロボット群を同時並列的に運用する複数集団移動を開発する．第
4 章で開発した単一ロボット群の集団移動に対して，他ロボット群を避けながら目的地へ
移動するための回避行動のために，ロボット群の規模に応じた回避量とカオス理論に基づ
く迂回方向に基づくロボット群個々に独立した回避を生成する手法を提案する．第 4 章の
提案手法で構築可能な集団構造のロボット群に対して，この提案手法を適用したロボット
群が接触することなくすれ違えることを数値計算で評価する．接触条件は多岐にわたるが，
それの元になる頂点同士の接触と辺同士の接触についてすれ違えることを確認する． 
第 6 章は上述の群制御をロボットに実装し，自律分散制御するためのロボットのセンシ
ング/通信デバイスを開発する．そのために，局所通信(センシング)で問題になる干渉を回
避するための集団同期手法を提案する．本章は LiDAR のようなデバイスで通信することを
考え，ある時刻において送信方向を一致させるように隣接ノード間の送信方向位相差を 0
に近づける非線形振動子モデルを導入する．この手法について，ネットワーク構造にかか
わらず機能することを数値計算で評価し，提案手法を実装した実機を用いてその動作を確
認する． 
第 7 章は結論であり，各章で提案した群制御について要約し，総括する．本論文で提案
したロボット群の制御を統合することによって実現可能な新たな群ロボットアプリケーシ
ョンを示し，その応用性を述べる．本研究のさらなる展望として，探索ミッションについ
て考え，それを実現するために必要な技術についてまとめる． 


Japanese

未知の環境およびタスク群における群ロボットの自律運用に関する研究

小西, 千秋

コニシ, チアキ

 
東京電機大学大学院 
学位論文内容の要旨   
報告番号 先端科学技術甲第 178号 氏 名 小西 千秋 
論文題目 都市空間と大学キャンパスの類同性から見た 
キャンパス非建蔽地における空間形成の対比的研究 
  
本研究は都市とキャンパスの類同性を前提にキャンパス非建蔽地を都市空間と捉え分析
を行う。都市マスタープラン(以下、都市 MP)とキャンパスマスタープラン(以下、CMP)の
対比から論点を導出し、道路に類する空間を線的なオープンスペース(以下、OS)、公園に
類する空間を面的な OS に捉えて空間構成を確認する手法を提示する。これら OS の構成を
空間認識の実験から検証を加え、都市のパブリックスペース(以下、PS)としてキャンパス
が有する空間的特性を明らかにする。論文は以下全 7章構成である。 
第 1 章 序論 前提となる都市空間とキャンパス空間の類同性及び研究の意義 
 今日の都市において、人口の減少、感染症の蔓延における暮らし方の変化によって、PS
に対してその重要性が再認識されている。以前より、地域の魅力向上や共通の価値を持つ
場所を形成するために様々な取り組みがなされてきたが、都市空間は建築敷地や道路、公
園のように管理主体が明確に区分して形成されることに課題がある。一方でキャンパスは
大規模土地利用であるが故に小都市のように形成され、都市と類同性を有しつつ、管理区
分が存在しないため柔軟な空間形成を可能としている。そこで本研究は都市とキャンパス
の類同性を前提にキャンパス非建蔽地に如何なる空間を形成するのか明らかにすることで、
都市空間に良好な PSを形成するために有用な知見の導出を意義とする。 
第 2 章 都市 MP と CMP との対比による都市空間の計画・設計に向けた論点の導出 
 CMPを公開する国立大学 34 校 34キャンパスを選定し、自治体の都市 MPの将来像からキ
ャンパスの認識を把握し、CMPが示す将来像を対比的に分析する。都市 MPと CMPの対比か
ら①都市部のキャンパスと市街地の連坦、②柔軟に機能を設定し得る非建蔽地、③非建蔽
地において都市空間とキャンパス空間が連坦する可能性を本研究の論点として導出した。 
第 3 章 東京圏における都市部キャンパスの非建蔽地に対する都市空間の認識 
①より東京圏都市部立地 25 キャンパスを選定した。対象周辺の土地利用の変遷、都市
MPの将来像からキャンパスに対する認識を見ると、都市部の密集した市街地に比べ大規模
な街区に広大な OSを有しつつ、都市の一部とする表示を確認した。密集する市街地におい
てキャンパスの OSは都市や周辺市街地にとって貴重な地域資源になる可能性がある。 
第 4 章 都市空間とキャンパス空間との対比より表出するキャンパス非建蔽地の空間構成 
物理的な境界線で非建蔽地を分節し、機能種別から利用制限・特定用途、通路空間、滞
 
留空間の 3 種に分類した。特に通路空間は対象に必ず存在し、非建蔽地の占める割合が最
も変動することから、キャンパスを特徴付ける空間として着目する。通路空間を道路と見
立て仮想的な街区に分割しキャンパスの構造を整理している。この構造を通路空間と滞留
空間が持つ空間的拡がりから線的 OS と面的 OS に再編し、非建蔽地の空間構成について 5
つの類型を提示している。道路と公園が区分されている都市空間に類似した構成である分
離型、管理区分が存在しないキャンパス特有の構成である求心型や軸線型、市街地に開放
された開放型、それらを組み合わせる複合型、これらの空間構成を導出した。 
第 5 章 キャンパス非建蔽地の空間認識における OS の一体性 
前章の空間構成の類型を代表する OSを対象に空間認識実験を行い、線的 OS と面的 OS に
対する利用者の認識を検証する。実験は被験者が全天球画像とヘッドマウントディスプレ
イを用いた疑似的な空間体験を行い、OSのまとまりと動線を作図して 2人 1組で語り合い
を行う。実験で認識された OS として、線的 OSは都市空間の道路と類似した空間であるた
め通路としての利用が容易に想定され共通した認識が得られたことに対し、面的 OSは利用
目的や想定される行動が曖昧であるため認識にばらつきが生じた。その中で、各類型に線
的 OSと面的 OSを分離せず一体的に認識する状況として、求心型の建物に囲われた OS、開
放型の道路と連坦する OS、軸線型の軸線上の OSを確認した。 
第 6 章 キャンパス非建蔽地の空間構成と空間認識との比較に現れる特有の性質 
第 4 章の空間構成と第 5 章の空間認識との比較からキャンパスにおける特質の考証を行
う。開放型の OSは都市空間である道路と連坦がみられ、分離型において線的 OSと面的 OS
の分離が管理区分された都市空間と同様な空間構成を有している。一方、求心型の建物に
囲われた OS、軸線型の軸線上の OS は、線的 OS と面的 OS の一体性を示し、管理主体の区
分が存在しないキャンパスの特徴的な空間構成として存在する。複合型は各類型が組み合
わせられ、キャンパスにおいて分離と一体の空間構成の共存が可能であることを示す。 
第 7 章 キャンパス非建蔽地の空間形成の可能性と課題 
 以上より、都市とキャンパスとの類同性を前提として、非建蔽地の将来像、空間構成、
空間認識について考証してきた。都市 MP及び CMPが示す将来像では、①都市部におけるキ
ャンパスと市街地の連坦、②柔軟に機能を設定し得る非建蔽地、③非建蔽地において都市
空間とキャンパス空間が連坦する可能性を導出した。これらを本研究の論点として、キャ
ンパス非建蔽地において線的 OS と面的 OS が都市空間の道路と公園に類似した機能を持ち
つつ、キャンパスの特徴的な状況として線的 OS と面的 OS が一体性を有することを確認し
た。それらの OSの構成から導出した 5種の類型は都市空間とキャンパス空間の連坦が可能
であることを示し、パブリックスペースにも通じる有用な視点を導出したと考える。マス
タープランや空間の機能は認識論として把捉が可能であり、十分な余白空間を持ち、柔軟
な空間性を有するキャンパス及びその周辺は、都市計画の要素を接続、編成して、共通し
た価値を認識する空間形成の計画要素として捉えることが有効である。 


都市空間と大学キャンパスの類同性から見たキャンパス非建蔽地における空間形成の対比的研究

吉本, 貫太郎

秋山, 啓

松野, 広暉

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022       No.42 Tokyo Denki University                     
課題番号 Q21-E01 
課題名（和文） 新エネルギー電動モビリティ用の電力変換システムの研究 
課題名（英文） Novel Power Conversion System for Electric Mobility Using New Energy 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
未来科学部 ロボット・メカトロニクス学科 教授 
氏名 吉本 貫太郎 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
未来科学研究科 ロボット・メカトロニクス学専攻 
氏名 松野 広暉 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名  
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
新しい電力変換器 D-EPC を用いた電動モビリティ用駆動システムとして、その充電制御方法と補償制御のほ
か、D-EPC を２回路分用いたシリーズハイブリッドシステムを新たに提案した。それぞれ回路・制御の連成
シミュレーションで動作検証を行い、小出力の試作回路を用いた原理確認実験により提案システムの有効性
を確認した。 
 
研究成果の概要（英文） 
The electric powertrain using a novel power converter D-EPC was proposed: a new charging control 
method and its compensation control were developed, and a series hybrid system using D-EPCs was 
proposed. The proposed systems were validated through co-simulations as electrical circuits and control 
systems, and the experimental results using a low-power prototype validated the effectiveness of the 
proposed systems. 
 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022       No.42 Tokyo Denki University                     
1.研究開始当初の背景 
FCEVでは電圧を変換するためにチョッパが搭
載されているが、その質量・体積が自動車の搭載・
レイアウト、電力変換損失が課題となる。多様な
エネルギーソースの電動モビリティとして、シリ
ーズ HEV でも同様なチョッパの課題が挙げら
れ、搭載性や電力変換損失を低減できる電力変換
システムが求められる。 
2.研究の目的 
FCEV のチョッパの課題に対して、提案されて
いる二電源入力の直流直接型電力変換 D-EPC は
チョッパのリアクトルを持たない半導体スイッ
チをベースとして小型・軽量・低損失の回路であ
る。この D-EPC を用いたシリーズ HEV として
の電力変換システムを新たに提案し(Fig. 1)、シス
テムのモデルに昇圧制御の検討と、その設計方法
を確立する。また、D-EPC の各部損失の理論的な
導出方法を構築することで、電力変換システムと
しての損失低減の可能性を明らかにすることが
目的である。 
3.研究の方法 
D-EPC は出力の交流電圧を配分することによ
る直流電源の電力を配分する機能を持ち、電力の
配分は各スイッチの PWM のパルス幅によって実
現できる。チョッパを用いた昇圧制御に、D-EPC
の電力配分制御を基にした昇圧制御は、チョッパ
よりも高い応答が期待できる。D-EPC の昇圧制御
として、電力配分比を操作量、昇圧コンデンサの
電圧を制御対象とし、損失分を仮想の抵抗とモデ
ル化することでフィードバック制御の設計を行
う。 
 
 
 
 
 
 
 
4.研究成果 
これらの理論的なモデルを元に、フィードバッ
ク制御の設計手法を回路・制御の連成シミュレー
ションによって、その妥当性を検証した。また、
ハイブリッドシステムとして、駆動モータの出力
変化を外乱として、フィードフォワード制御によ
る外乱補償を行う二自由度制御として昇圧制御
を提案した(Fig. 2)。提案する昇圧制御を、構築し
た出力 200W級のモータベンチによる実験によっ
て、その有効性を確認した。 
 
 
 
 
 
 
 
 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 3 件） 
① 松野広暉,秋山啓,吉本貫太郎,横山智紀, “二電
源入力電力変換器 D-EPC を用いたシリーズ
ハイブリッドシステム”, 電気学会産業応用
部門大会(2022) 
② 松野広暉,秋山啓,吉本貫太郎,横山智紀, “二電
源入力電力変換器 D-EPC を用いたハイブリ
ッドシステム  における昇圧制御の実機検
証”, 電気学会研究会, SPC-22-159 (2022) 
③ 松野広暉,秋山啓,吉本貫太郎,横山智紀, “二
電源入力電力変換器 D-EPC を用いたハイブ
リッドシステムにおける昇圧制御のアンチ
ワインドアップ制御”, 電気学会全国大会 
(2023) 
 
Fig. 1 Hybrid system using D-EPC 
 
Fig. 2 Control block diagram for boosting control of hybrid 
system using D-EPC 
  
Fig. 3 Transient response of the capacitor voltage 
(Experimental result). 


新エネルギー電動モビリティ用の電力変換システムの研究

安部, 智子

長原, 礼宗

永嶺, 海夕

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022       No.42 Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q21L-02 
課題名（和文） 発酵粕を用いた機能性脂質製造方法の開発 
課題名（英文） 
Methods for producing sphingolipids having skin moisture improving action from 
sake lees 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部 生命科学系 准教授 
氏名 安部 智子 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部 生命科学系 教授 
氏名 長原 礼宗 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
皮膚に存在する酵素であるカスパーゼ-14 は角質層のバリア機能や水分保持機能の維持に関与しているが、
共同研究者である長原はセラミド類縁体であるスフィンゴイド塩基、特にフィトスフィンゴシンやスフィン
ガニンが非常に低濃度でカスパーゼ-14 の発現量を増加させることを明らかにした。本研究では、発酵粕など
の産業廃棄物がカスパーゼ-14 の発現を誘導させるスフィンゴイド塩基類を含有するかどうかを調べ、これら
を原料としてスフィンゴイド塩基類を製造する方法を検討した。また、一般に脂質の抽出にはクロロホルムが
用いられるが、化粧品としての用途を想定し、ヒトの肌に対して毒性を持たない溶媒を用いてフィンゴイド塩
基を含む有効画分を抽出する方法を検討した。 
 
研究成果の概要（英文） 
Caspase-14 is involved in maintaining the barrier function and water retention function of the stratum 
corneum. Nagahara et al. has found that sphingoid bases, especially phytosphingosine and sphinganine, 
increase the expression level of caspase-14 at very low concentrations. In this study, methods to produce 
sphingoid bases from industrial wastes such as fermentation lees were investigated. In addition, methods 
for extracting the effective fractions containing sphingoid bases without using toxic solvents. 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022       No.42 Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
カスパーゼ-14 はフィラグリンと呼ばれるタン
パク質の前駆体を分解して天然保湿因子を生成
し、角質層のバリア機能や水分保持機能の維持に
関与する。カスパーゼ-14 の発現を効果的に誘導
したり、カスパーゼ-14 の働きを活性化したりす
る化合物を使用することで皮膚保湿機能を改善
できる可能性がある。近年、スフィンゴイド塩基、
特にフィトスフィンゴシンやスフィンガニンが
非常に低濃度でヒト表皮角化細胞株である
HaCaT 細胞において、カスパーゼ-14 の発現を増
加させることが明らかにされた 1)。 
フィトスフィンゴシンは植物や菌類に多く含
まれる物質であり、酒類の製造の際に残渣として
生じる発酵粕（植物由来成分と麹や酵母など微生
物の菌体成分、その代謝産物等を含む）にはスフ
ィンゴ脂質が含有されている。このような発酵粕
の多くは費用をかけて廃棄されているのが現状
であり、廃棄物である発酵粕からカスパーゼ-14
の発現を誘導するスフィンゴイド塩基類を効率
的に抽出することができれば、化粧品材料として
の有効利用が期待される。 
[文献] 1) Nagahara, Y. et al., Sphingoid Base-
Upregulated Caspase-14 Expression Involves 
MAPK. Biol. Pharm. Bull. 41, 743–748 (2018) 
 
2.研究の目的 
産業廃棄物として廃棄されている発酵粕など
の廃棄物中に含有されるスフィンゴイド塩基類
の種類と含有量を明らかにすること、また、一般
に脂質の抽出にはクロロホルムを使用するが、抽
出するフィトスフィンゴシンは化粧品としての
用途を想定しているため、ヒトの肌に対して毒性
を持たない溶媒を用いてカスパーゼ-14 の合成を
促進するスフィンゴイド塩基類を発酵粕から効
率的に抽出する方法を確立することを本研究の
目的とした。 
 
 
3.研究の方法 
(1) 総脂質の抽出 
市販の清酒粕数種、あるいは植物由来の産業廃
棄物を試料として用いた。清酒粕は清酒製造の際
に作られる、もろみ (原料が発酵した柔らかい固
形物) を圧搾し、その後に残る白色の固形物であ
る。以下に示す Bligh-Dyer 法を元とした方法に
より、試料から総脂質を抽出した。クロロホルム:
メタノール:水の体積比が 1：2：0.8 となる溶媒を
試料に加えて撹拌し、その後さらにクロロホルム:
メタノール:水の体積比が 1：1：1 になるようにク
ロロホルムと水を加えて 2 層に分離した後、有機
溶媒層（総脂質）を回収し、乾固させた。Bligh-
Dyer 法で得た総脂質に −20℃ に冷却したアセ
トンを加えて混合し、−20℃ で 1 時間静置した。
1 時間後、4℃、15000 ×g で 15 分間遠心分離し、
アセトン可溶性脂質とアセトン不可溶性脂質に
分画した。 
 
(2) 試料中のスフィンゴイド塩基類の解析 
回収した画分を薄層クロマトグラフィー 
(TLC) により展開した。展開溶媒としてクロロホ
ルム：メタノール：酢酸：水＝20：3.5：2.3：0.7
を用いた。展開後、ニンヒドリン反応により呈色
し、スフィンゴイド塩基類を検出した。呈色箇所
のシリカゲルを TLC プレートからかき取り、そ
の後、シリカゲルから溶出させた画分を回収し
た。回収した画分を 70%メタノールに溶解し、
Mono spin カラムに供し、溶出画分を回収した。
溶出画分を遠心エバポレーターを用いて濃縮し、
LC-MS (Chromaster 5610, 日立ハイテクサイエ
ンス) 分析に供した。カラムは COSMOSIL 5C18-
MS-Ⅱ、移動相として溶媒 A (メタノール：5 mM
酢酸アンモニウム＝85：15) を用いた。 
2 次元薄層クロマトグラフィーを行う際には、
クロロホルムに溶解したアセトン可溶性脂質を
第 1 展開溶媒 (クロロホルム：メタノール：MilliQ
水=65：15：2) で展開した後、第 2 の展開溶媒 (ク
ロロホルム：メタノール：アセトン：酢酸：MilliQ
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水=65：10：20：10：3) により展開した。 
 
(3) 廃棄物中のスフィンゴイド塩基類の増量 (発
酵生産) 
清酒粕や植物由来の産業廃棄物にミリ Q 水を
加えてオートクレーブ滅菌した後、滅菌した試料
に緑膿菌を植菌し、2 日間 30℃で振とうし、発酵
させた。(1)と同様の方法で緑膿菌を植菌した試料
から脂質を抽出し、TLC で展開した後、ニンヒド
リン反応により呈色した。 
 
(4) エタノールを用いたスフィンゴイド塩基類の
抽出 
市販の清酒粕 3.0 g に、MilliQ 水またはエタノ
ール水溶液を 30 ml 加え撹拌し、遠心分離を行っ
た。その後上清を取り除いた。同様の操作を繰り
返し、2 回洗浄した (この操作を前洗浄とする)。
次に、エタノールを 30 ml 加え撹拌、遠心分離を
行った。遠心分離後、上清をバイアル瓶に移しバ
イアルエバポレーターを用いて減圧蒸留を行っ
た。抽出物に 1.4 ml の MilliQ 水またはエタノー
ル水溶液を加え撹拌、遠心分離を行い上清を取り
除いた。この操作を後洗浄として、洗浄を 2 回繰
り返した。 
 
4.研究成果 
(1) 試料中のスフィンゴイド塩基類 
清酒粕から抽出した脂質画分をそれぞれ１次
元、あるいは２次元 TLC により展開し、ニンヒド
リン反応により呈色した結果、用いた清酒粕すべ
てで、標品として用いた数種のスフィンゴイド塩
基類と同じ位置に呈色されたスポットが確認さ
れた。２次元 TLC を導入したことにより、用いた
市販の清酒粕中にそれぞれ少なくとも2~3種のス
フィンゴイド塩基類が含まれる可能性があるこ
とがわかった。抽出したそれぞれの脂質画分を
LC-MS 分析に供し、同定を試みた。結果の１部を
Fig. 1 に示す。スフィンゴイド塩基標品と一致す
る MS スペクトルが確認され、清酒粕に含有され
るスフィンゴイド塩基類の同定に成功した。 
Fig. 1 アセトン抽出画分から精製したスフィンゴイ
ド塩基の MS スペクトル 
 
本研究では、発酵粕だけではなく、食品廃棄物
中に含有されるスフィンゴイド塩基類も確認し
た。おから、二番茶、油粕などを用いて抽出を試
みたが、遊離の SPH、PHS、SPG は検出されな
かった。しかし、緑膿菌の添加により増加するニ
ンヒドリン反応スポットが検出されたことから、
これらの食品廃棄物を原料として発酵によりス
フィンゴイド塩基類を製造できる可能性がある
ことがわかった。 
 
(2) 発酵粕を原料としたスフィンゴイド塩基類の
発酵生産 
セラミダーゼを分泌することが知られている
緑膿菌を清酒粕に加えて培養し、遊離のスフィン
ゴイド塩基が増加するかを確認した。その結果、
緑膿菌を清酒粕に添加することによって、遊離の
スフィンゴイド塩基量が顕著に増加することが
わかった (Fig. 2)。 
 
(4) クロロホルムを用いないスフィンゴイド塩基
類の抽出 
 化粧品製造によく用いられている溶媒をいく
つか選択し、清酒粕からのスフィンゴイド塩基抽
出溶媒として検討した。エタノールを用いて検討
した結果を Fig. 3 に示す。エタノール水溶液を用
い、前洗浄や後洗浄、抽出を繰り返すことで、毒
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性の高い有機溶媒であるクロロホルムを使用せ
ずに効率よく清酒粕からスフィンゴイド塩基類
を抽出できることがわかった。 
 
Fig. 2 緑膿菌を植菌した清酒粕から抽出したスフ
ィンゴイド塩基類 (①および②スフィンゴイド塩基表
品、③嫌気発酵、④好気発酵、⑤発酵なし) 
 
 
Fig. 3 エタノール水溶液によるスフィンゴイド塩
基類の抽出 (①スフィンゴイド塩基標品、②エタノー
ル水溶液前洗浄、③エタノール水溶液前洗浄＋
MiliQ 水後洗浄、④エタノール水溶液前洗浄＋エタ
ノール水溶液後洗浄、⑤MiliQ 水前洗浄、⑥MiliQ
水前洗浄＋MiliQ 水後洗浄、⑦MiliQ 水前洗浄＋
エタノール水溶液後洗浄) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
①     ②     ③     ④     ⑤ 
①    ②    ③     ④    ⑤     ⑥     ⑦ 


発酵粕を用いた機能性脂質製造方法の開発

高橋, 俊介

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課題番号 Q22L-03 
課題名（和文） 1 分子 DNA に働くタンパク質の動的挙動の解析技術の開発 
課題名（英文） Single-molecule imaging for dynamic behavior of proteins acting on DNA 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部、理工学科、生命科学系、准教授 
氏名 高橋 俊介 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
DNA 分子は、それ自身で蛍光特性を持たないため、DNA 分子を視覚的に捉えるためには何かしらの方法で
染色する必要がある。これまで DNA や細胞核の染色には核酸染色試薬が用いられてきたが、核酸染色試薬は
核酸と結合する性質から、突然変異を誘発する可能性がある。実際にエチジウムブロマイドでは Ames 試験に
より変異原性があることが示されており、取り扱いには注意が必要である。 
 本研究では、４種類の耐熱・耐酸・耐塩基性の特性を持つ 2 本鎖 DNA 結合タンパク質に蛍光タンパク質
を融合した 2 本鎖 DNA 蛍光標識タンパク質を開発し、様々なアプリケーションでの適用可能を評価した。 
 
研究成果の概要（英文） 
DNA molecules do not have fluorescent properties by themselves, they must be stained in some way in 
order to be visually detected. Nucleic acid staining reagents have been used to stain DNA and cell nuclei, 
but the binding properties of nucleic acid staining reagents to nucleic acids may induce mutations. In fact, 
ethidium bromide has been shown to be mutagenic by the Ames test, and must be handled with caution. 
In this study, we developed a double-stranded DNA fluorescent labeling protein by fusing a fluorescent 
protein to a double-stranded DNA binding protein with four different thermostable, acid- and 
base-resistant properties, and evaluated its applicability in various applications. 
 
      Annual Report 
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1.研究開始当初の背景 
DNA という物質は自分自身で蛍光特性を持たな
い。それ故に、DNA という物質を視覚的に捉えるた
めには何かしらの方法で DNA を染めるという処理
を行う必要がある。これまで DNA や細胞核の染色
には化合物ベースの核酸染色試薬が用いられてき
た。しかしながら、核酸染色試薬は核酸と結合し、
核酸の構造を歪ませるという性質を持つことから、
DNA 複製や転写の際にエラーが生じ、突然変異を誘
発することが示されている。実際に、最もポピュラ
ーな核酸染色試薬である、エチジウムブロマイドで
は Ames 試験（化学物質が DNA を傷つけて微生物
に突然変異を誘起するか否かを調べる遺伝毒性試
験）により変異原性があることが示されており、取
り扱いには注意が必要である。 
2.研究の目的 
本研究では、耐熱・耐酸・耐塩基性の特性を持つ
7kDa という小さな 2 本鎖 DNA 結合タンパク質に
着目した。４種類の 2 本鎖 DNA 結合タンパク質
（Sulfolobus solfataricus 由来の Sso7d、Acidianus 
hospitalis 由来の Aho7c、Acidianus tailed spindle 
virus 由来の ATSV7、Sulfolobus tokodaii 由来の
Sto7）に蛍光タンパク質を融合した 2 本鎖 DNA 蛍
光標識タンパク質を開発することで、生体由来で変
異原性のない新しい 2 本鎖 DNA 蛍光標識技術とし
ての開発を試みた。 
3.研究の方法 
Sso7d、Aho7c、ATSV7、Sto7 の DNA 配列は大腸
菌 B 株へとコドン最適化し、人工遺伝子合成した。
人工遺伝子断片は HindIII と XhoI で切断した
pET22b に gibson assembly 法 で 挿 入 し 、
pET22b-Sso7d、pET22b-Aho7c、pET22b-ATSV7、
pET22b-Sto7 を構築した。その後、蛍光タンパク質
mClover3 を pET22b-Sso7d 、 pET22b-Aho7c 、
pET22b-ATSV7、pET22b-Sto7 に挿入し、pET22b- 
mClover3-Sso7d、pET22b-mClover3-Aho7c、pET 
22b-mClover3-ATSV7、pET22b-mClover3-Sto7 を
構築した。構築ベクターを大腸菌 C41（DE3）に形
質転換し、タンパク質を発現させた後、固定化金属
アフィニティクロマトグラフィー（IMAC）でタン
パク質を精製した。精製タンパク質を FP-fused 
Sso7d 、 FP-fused Aho7c 、 FP-fused ATSV7 、
FP-fused Sto7 と名付けた。 
4.研究成果 
ゲルシフトアッセイにより 4種類の 2本鎖DNA蛍
光標識タンパク質の DNA 結合親和性を評価した。4
種類の 2 本鎖 DNA 蛍光標識タンパク質で DNA 結
合親和性に違いが見られた。FP-fused Aho7c が最も
DNA 結合親和性が高く、次に FP-fused Sso7d と
FP-fused Sto7 であり、FP-fused ATSV7 は DNA 結
合親和性が最も低いことが示された。 
次に１分子蛍光イメージングで視覚的に評価した。
結果、2 本鎖 DNA 蛍光標識タンパク質を用いて１
分子 DNA の直接観察に成功した。また化合物ベー
スの核酸染色試薬と比較し、2 本鎖 DNA 結合タン
パク質で標識したDNA１分子の蛍光退色時間は 6.7
倍程度遅かった。以上の結果、2 本鎖 DNA 蛍光標
識タンパク質は核酸染色試薬よりもはるかに長い時
間蛍光イメージングが可能なことが示された。 
次に共焦点顕微鏡を用いて、二本鎖 DNA 蛍光標識
タンパク質による細胞核を染色した結果、細胞核の
み蛍光イメージングが可能となった。 
5.主な発表論文等 
（研究代表者、共同研究者には下線） 
〔雑誌論文〕（計 1 件） 
① Takahashi S（筆頭、責任）, Oshige M, Katsura 
S, Nagahara Y. A new fluorescence labeling 
method for molecular analysis of 
double-stranded DNA. Anal Biochem. 2023, 
662, 115000. 
〔特許〕（計１件） 
① 高橋俊介、長原礼宗、融合タンパク質、２本鎖
ＤＮＡ標識剤、２本鎖ＤＮＡ標識用キット、Ｄ
ＮＡ、及びベクター、東京電機大学、特願
2022-095293 
 


1分子DNAに働くタンパク質の動的挙動の解析技術の開発

高田, 和幸

宮内, 弘太

荒川, 裕太

糀谷, 幸嗣

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課題番号 Q21J-01 
課題名（和文） 運転技量評価のフィードバックを通じた「安全運転マネジメント」手法の構築 
課題名（英文） 
Research on safe-driving management method through the feedback on driving skill 
assessment 
研究代表者 
所属（学部，学科・学系・系列，職位） 
理工学部，建築・都市環境学系，教授 
氏名 高田和幸 
共同研究者 
所属（学部，学科・学系・系列，職位） 
 
氏名 
所属（学部，学科・学系・系列，職位） 
 
氏名 
所属（学部，学科・学系・系列，職位） 
 
氏名 
所属（学部，学科・学系・系列，職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
本研究では，高齢者による自動車運転事故に問題に着目した．自分自身の運転の仕方の理解が，安全運転へ
の動機づけとなり，安全運転に結びつくことの検証を行った．計 16 名の高齢者の方に観測実験に参加して頂
き，4 カ月に渡り走行挙動を観測させて頂いた．観測に際しては，高齢者にとっても操作性の高い運転挙動観
測アプリを作成した． 
観測した走行データのうち，交差点部を走行しているデータを抽出して運転技量を評価した．急アクセル，
急ブレーキ，急ハンドル，速度超過，一時不停止の発生回数を計測し，その発生度合いに基づいて評価した． 
次に，評価結果を被験者に確認して頂き，自身で運転の実情を確認・認知して頂いた．さらに被験者に安全
運転の意識づけを兼ねたアンケートに回答頂いた．これを繰り返すことを，本研究では「安全運転マネジメン
ト」と称した．フィードバックは 1 か月おきに実施し，伝える内容や伝え方を変更しながら実施した． 
最後に「安全運転マネジメント」の効果検証を行った．効果検証は，平均値の差の t 検定や，t 値を個人属
性で説明するモデル推定，効果量算出とロジスティック回帰モデルの推定を通じて行った． 
結果として，急ブレーキと急ハンドル，速度超過の発生割合が低下していることが確認され，安全運転マネ
ジメントの有効性が検証できた． 
 
 
      Annual Report 
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総合研究所年報 2022          No.42 Tokyo Denki University                     
 
研究成果の概要（英文） 
This study focused on the problem of traffic accidents caused by the elderly drivers. It was verified that 
the understanding of one's own driving behaviour motivates and leads to safe driving. 16 elderly drivers 
participated in the observation experiment, and their driving behaviour was observed over a period of four 
months. For the observation, a driving behaviour observation application that is easy for elderly drivers 
to use was created. 
Out from the observed driving data, the data of driving at intersections were extracted to evaluate 
driving skills. The number of occurrences of sudden acceleration, sudden braking, sudden steering, over-
speeding and temporary non-stop were measured and evaluated based on the degree of occurrence. 
Next, the subjects were asked to check the evaluation results and to confirm and recognize the actual 
state of their driving by themselves. The subjects were then asked to answer a questionnaire to raise their 
awareness of safe driving. The repetition of this process was called "safe driving management" in this 
study. Feedback was given every other month, and the content and method of delivery were changed. 
Finally, the effectiveness of "safe driving management" was verified. The effectiveness was verified 
through a t-test of the difference in means, model estimation to explain the t-values with individual 
attributes, effect size calculation and logistic regression model estimation. 
As a result, it was confirmed that the incidence rates of emergency braking, emergency steering and over-
speeding had decreased, and the effectiveness of safe driving management could be verified. 
 
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総合研究所年報 2022          No.42 Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
近年，高齢運転者が第一当事者となる交通事故
が大きな社会問題となっている．加齢に伴う認知
機能の低下もその要因と考えられ，満 70 歳以上
で免許更新する場合には高齢者講習を受講する
ことが義務付けられ，さらに 75 歳以上の方には
認知機能検査の受診も義務づけられている．しか
しながらその効果は限定的であり高齢者の認知
機能低下に伴う事故が発生しているのが実状で
ある． 
現在，「自動ブレーキ」「車線逸脱抑制装置」な
どの先進的な『予防安全技術』や『自動化運転技
術』の開発が進められているが，社会実装までに
は相当な時間を要すると考えられる．そのため，
今後も高齢運転者への安全運転啓発が必要不可
欠である． 
 
2.研究の目的 
運転者が，自分自身の運転技量を認知・理解し，
そのことが安全運転の動機づけとなり，安全運転
に結びつくと仮定し，これらを繰り返す『安全運
転マネジメント』を実践した． 
高齢者の運転挙動については，高齢者にとって
も操作性の高いスマホアプリを制作して収集し
た． 
また本研究では，交通事故の発生割合の高い交
差点部の走行に着目した． 
走行挙動の観測データから運転技量を評価し，
その結果を被験者にフィードバックすることで，
安全運転に結びついたかを検証した． 
 
3.研究の方法 
(1) 観測調査 
65 歳以上の東松山市民観測調査にご参加頂い
た．被験者は計 16 名である.  
観測に先立ち，被験者には，実験参加への同意
の確認を行った．次に，認知機能検査を実施し，
最後に参加者ご自身の車両に観察装置を設置し，
運転行動を観察した. 
(2) 観測機器と観測方法 
本研究では，iPhone に搭載されているセンサー
を利用して運転挙動を観測した．操作性の高い運
転挙動観測アプリ（以下，スマホアプリ）を開発
した． 
観測内容を表-１に示す． 
表-1 観測調査の概要 
観測機器 iPhone 
観測項目 
・3 軸加速度（G）※1 
・3 軸角速度（m/s）※1 
・3 軸姿勢角（度）※1 
・緯度経度（度）※2 
・車両速度（m/s）※2 
観測間隔 
※1：10Hz（0.1 秒間隔で計測） 
※2：1Hz（1秒間隔で計測） 
走行挙動の 
観測手順 
①運転開始前に走行挙動観測アプリを
起動する 
②運転終了後に走行挙動観測アプリを
終了する 
記録方法 
リアルタイムでクラウド上に csv 形式
で保存される． 
 
(3)分析データの作成 
観測した運転挙動データから交差点通過時の
データを抽出した過程を記す． 
初めに，観測した 3 軸姿勢角から傾き補正を行
った．観測機器をダッシュボードに設置した直後
の 3 軸姿勢角から観測機器の傾きを算出し，3 軸
成分の加速度補正を行った． 
次に位置情報と車両速度の加工を行う．位置情
報と車両速度は 1 秒間隔で計測されているため，
前後 10 点の観測データから移動平均を求めて，
0.1 秒間隔の位置情報と車両速度を補完した．ま
た，算出された車両速度から，発進・停止を特定
し，データに情報を付与した．さらに運転挙動デ
ータにデジタル道路網マップ（以下，DRM）の情
報を付与し，交差点部の走行データ抽出ができる
ようにした．  
最後に，車両の進行方向の判別を行った．交差
点部における車両は，右折・左折・直進の 3 通り
に分ける．本研究では，姿勢角から車両の右折・
左折・直進を判別した． 
(4)運転技量の評価指標 
交差点部走行時の運転技量の評価指標につい
て記す．表-2 に評価項目・指標の概要を示す． 
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本研究では，危険運転の発生率に着目した． 
0.25G を超える加速度が計測された回数を危険運
転として計測した．また走行速度が 5 秒以上継続
して法定速度より 15km/h を超えた際に速度超過
を計測した．さらに，標識のある交差点で車両速
度の最小値が 1km/h 超える運転行動を一時不停
止として観測した． 
危険運転の発生率は，交差点でのイベント発生
の回数を，その日の対象とする交差点行動の観測
数で割ることで算出した． 
(5)評価シートのフィードバック 
評価結果の被験者へのフィードバックについ
て記す．走行挙動を１か月間観測するごとに被験
者に評価結果をフィードバックした． 
１回目のフィードバックでは，安全に運転でき
ていることを称賛するような表現，２回目は，危
険運転の多い項目を注意するような表現とした． 
 
 
 
(a)運転状況（運転距離・時間）の推移 
 
(b)運転技量（急アクセル）の推移 
 
(c)危険運転個所のマッピング 
図-2 フィードバック内容のイメージ 
フィードバック内容のイメージを図-2 に示す．
フィードバックシートには，被験者の普段の運転
状況（総運転時間・距離や運転速度帯，運転時間
帯）や危険運転の発生頻度の推移，危険運転発生
個所などを記載した．ご自身の運転を振り返るこ
とで，安全運転を意識して頂くことを意図した． 
 
4. フィードバックによる効果検証 
(1) フィードバック前後による 2 標本 t 検定 
高齢運転者の走行挙動がフィードバック前後
でどのように変化したかを検証する．個人ごとに
算出された日ごとの運転技量評価がフィードバ
ック前後で有意に変化したかを検定した． 
図-3 に，1 回目と２回目のフィードバックの効
果の 2 標本 t 検定結果を示す．縦軸は評価項目，
横軸は t 値を示している．t 値が正の符号で大き
い場合には，発生頻度が有意に減少していること
を表し，安全運転行動が実践できていることを示
している．図-3 より，およそ半数は安全運転行動
への効果が明らかになった．特にフィードバック
前に危険運転が多い被験者は t 値が大きく，有意
に変化したことが示されている．一方，普段から
安全運転を心がけている被験者には有意な変化
が見られなかった． 
(2)  個人属性から t 値を推定するモデルの構築 
どのような被験者がフィードバックにより安
全運転につながったか考察する． 
前節の t 検定の結果で得られた検定統計量（t
値）と，被験者の個人属性・MMSE の点数・フィ
ードバック前の運転状況との関連性を，回帰モデ
ルを推定して考察した．なお目的変数には，１回
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目のフィードバックにおける t 検定の結果を使用
した． 
表-3 に推定結果を示す．なお推定に際しては，
棄却域を 0.2 に設定したステップワイズ変数選択
法を適用した．推定値の符号について説明する．
推定値が正の符号の場合には，フィードバックが
より安全な運転に結びついている要因であるこ
とを表している．自由度修正済み決定係数より，
再現性が最もよい急アクセルのモデルに着目す
る．推定結果より，年齢が高く，MMSE(認知機能
テスト)の点数が高く，二重・三重に見えることが
あり，１週間当たりの運転日数が多く，1 日の運
転時間のばらつきが大きい（標準偏差が大きい）
被験者ほど，急アクセルの発生割合の低減の効果
が大きいことが示された． 
 
図-3 フィードバックの効果の 2標本 t 検定結果 
 
(3)展望 
今後の展望について 2 点記す． 
1 点目は，フィードバック内容による効果の差
異の検証である．伝え方の違いや他者との比較，
運転技量の時系列的変化を伝えることで安全運
転行動への効果に変化があるかを検証する． 
2 点目は，運転技量評価の見直しである．本研
究では危険運転の評価を全被験者で共通の閾値
を設定した．今後は機械学習や異常検知を用いる
ことで一人一人に適した運転技量評価を行う． 
5.主な発表論文等 
（研究代表者，共同研究者には下線） 
〔雑誌論文〕（計 1 件） 
① Yuta ARAKAWA, Kota MIYAUCHI, 
Kazuyuki TAKADA ： Analysis on long-
term changes of driving behavior by 
elderly driver ， Road and Rail 
Infrastructure VII, 2022.5. 
〔学会発表〕（計 3 件） 
① 高田和幸，荒川祐太，宮内弘太：長期観測プ
ローブデータを用いた高齢者の運転挙動の
経年変化に関する基礎的研究，土木計画学研
究・講演集, vol.64, CD-ROM, 2021.12.  
② 荒川祐太，高田和幸，宮内弘太：高齢運転者
を対象とした安全運転マネジメントの効果
検証に関する基礎的研究，土木計画学研究・
講演集, vol.66, CD-ROM, 2022.11.  
③ Yuta ARAKAWA, Kazuyuki TAKADA, Kota 
MIYAUCHI：Detection of abnormal driving 
applying recurrence plots ， The 1st 
International Symposium on One Health, 
One World，2022.12. 
 
                                                      
 
 
表-2 評価項目と評価指標 
運転技量 
評価項目 
対象とする 
交差点行動 
使用する 
観測値 
イベント発生の閾値 発生頻度の計算 
急アクセル 
発進を含む 
直進行動 
車両前方向の 
最大加速度(G) 
使用する観測値 
 > 0.25(G) 
 �
イベント発生の観測数
対象とする交差点行動の観測数
�  × 100 
 
※発生頻度は走行挙動が観測された 
日ごとに算出される． 
急ブレーキ 
停止を含む 
直進行動 
車両後ろ方向の 
最大加速度(G) 
急ハンドル 右左折行動 
車両左右方向の 
最大加速度(G) 
一時不停止 
一時停止標識の 
ある交差点 
車両の 
最小速度(km/h) 
使用する観測値 
 > 1(km/h) 
速度超過 直進行動 車両の速度(km/h) 
5秒以上で使用する観測値  
> 法定速度 + 15(km/h) 
 
 
表-3 個人属性からt値を推定するモデルの推定結果(N = 16) 
目的変数 急アクセル 急ブレーキ 急ハンドル 速度超過 一時不停止 
説明変数 推定値 t値 推定値 t値 推定値 t値 推定値 t値 推定値 t値 
年齢 0.19 2.83 0.17 2.58 ― ― 0.30 2.64 ― ― 
男性ダミー 
1:男性 
0:女性 
-2.34 -2.64 ― ― ― ― -2.59 -1.78 2.30 2.26 
MMSEの点数 0.26 1.70 ― ― -0.40 -2.34 0.50 1.73 ― ― 
運転免許証 
の色 
1:ゴールド 
0:その他 
― ― ― ― 0.90 1.36 1.71 1.88 ― ― 
目のかすみやぼ
やけ 
1:ある 
2:少し 
 ある 
3:全く 
 ない 
― ― ― ― ― ― 0.57 1.02 0.55 1.37 
二重．三重に見
える 
1.33 3.80 1.24 3.28 ― ― -0.83 -1.19 ― ― 
見えにくい -1.81 -5.46 -0.92 -2.70 ― ― -1.29 -2.27 0.65 1.43 
1週間当たりの 
運転日数 
0.74 5.90 0.40 3.07 0.27 1.45 0.27 1.14 ― ― 
１日当たりの運転時間 
の平均 
-0.18 -6.43 -0.14 -4.72 ― ― -0.07 -2.04 -0.11 -3.17 
１日当たりの運転時間 
の標準偏差 
0.08 3.12 0.07 2.54 ― ― ― ― 0.06 1.70 
切片 -17.12 -2.32 -11.90 -2.19 9.41 1.83 -29.42 -2.14 -2.29 -1.10 
自由度修正済み決定係数 0.88 0.74 0.32 0.24 0.49 
AIC 37.26 40.40 54.13 52.31 48.61 
ステップワイズ変数選択の棄却域：p値 > 0.2 
 


運転技量評価のフィードバックを通じた「安全運転マネジメント」手法の構築

MYAT, ENDRA, SWE

佐藤, 慶介

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022          No.42 Tokyo Denki University                     
                         
課題番号 Q22DS-05 
課題名（和文） 酵素抗体法への臨床応用を目指した抗体結合ナノ多孔粒子の開発 
課題名（英文） 
Correlation between porosity and antibody binding to silicon nanoporous particles 
toward clinical application of enzyme-antibody method 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
総合研究所 特任助手 
氏名 MYAT ENDRA SWE 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学部 電気電工学科 教授 
氏名 佐藤 慶介 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京慈恵会医科大学 基盤研究施設 教授（退職） 
氏名 馬目 佳信 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
本研究では、酵素抗体法に用いられるマイクロウェルプレートの代わりになる診断基材の開発を目的と
し、シリコンナノ多孔粒子と作製とそれに対するアミノ基の修飾及び抗体の結合に成功した。表面加工シリコ
ンナノ粒子では多孔形状、凹凸形状、多孔と凹凸を持ち合わせたハイブリッド形状の３つの形状を作製し、そ
れぞれの形状に対する抗体の結合量を比較したところ、表面積が大きくなるにつれ、アミノ基の修飾面積を大
きくなり、それに伴い、抗体の結合量も増えていることが確認できた。 
 
 
研究成果の概要（英文） 
In this study, we have succeeded in fabricating porous silicon nanoparticles, modifying amino groups on 
them, and binding antibodies to them, with the aim of developing a diagnostic substrate that can replace 
the microwell plates used in the enzyme-antibody method. Three shapes of surface-processed silicon 
nanoparticles were fabricated: porous, concavo-convex, and a hybrid shape that combines both porous and 
concavo-convex shapes, and the amount of antibody binding to each shape was compared. The results 
showed that as the surface area increased, the modified area of amino groups increased and the amount of 
antibody binding increased accordingly. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2022          No.42 Tokyo Denki University                     
                         
1.研究開始当初の背景 
病原である抗原と病原を対抗する抗体との結合反
応により、病気を簡便かつ効率よく診断できる手法
が用いられている。この手法では、主に体内から病
原性のある抗原を含んだ細胞を摂取し、抗体が固相
された物質に検体を添加させ、抗原と抗体を反応さ
せることで病原体を診断する技術である。抗原や抗
体を定量する手法として酵素抗体法（ELISA 法：
Enzyme-Linked Immuno Sorbent Assay）、二重免
疫拡散法、ラテックス凝集法などが利用されてい
る。中でもＥＬＩＳＡ法では、抗体や抗原を固相化
したマイクロウェルプレートが使用され、これに検
体を添加することで抗原抗体反応させてから、酵素
標識された抗体を添加して検体に含まれる抗体や抗
原を定量する。その手法が簡便であり、また様々な
病原体に対応できることからＥＬＩＳＡ法は広く用
いられる。しかし、マイクロウェルプレートでは、
抗体や抗原といったタンパク質の吸着量や表面積の
制限があるため、検体中の抗原や抗体の濃度があま
りに高いと反応が飽和してしまい、広範囲の濃度に
対する抗原抗体反応には対応が難しいという課題も
ある。そのためあらかじめ固相化した抗原または抗
体に対し ELISAで対応できる濃度で抗原抗体反応を
させるために、事前に検量線を確かめながら検体を
適切な濃度に希釈して使用する必要がある。 
 
2.研究の目的 
本研究では様々な病原体に対応でき、手軽に広く
用いられている ELISA法に着目し、前述の課題を改
善するために、固相化する抗原あるいは抗体の量を
多くしておくことが必要である。そのためにはマイ
クロウェルプレートにかわる表面積の膨張できる材
料の開発と生体物質と結合させる方法に取り組む必
要があり、表面積の拡張が可能な試薬の開発を行う
こととした。材料には表面加工が容易なシリコンナ
ノ粒子に着目した。シリコンナノ粒子は太陽電池用
途に使用されている材料で、シリコンナノ粒子を多
孔質化することで表面積が増え、発電に必要なキャ
リアを多数生成できることでエネルギー変換効率を
向上させることが可能であるが、本研究では多孔質
化による表面凹凸形態の形成により表面積を拡張し
たシリコンナノ粒子に対してより多くの抗体を結合
させることで体外での抗原抗体反応が高感度で検知
できることを想定し、本研究計画を着想するに至っ
た。本研究では検査医学分野において多種多様な癌
細胞やウィルスを高感度で検知できる試薬の開発を
目指している。 
 
3.研究の方法 
  シリコンナノ粒子の表面積を拡張させるため、
ナノ粒子に対し、3 種類の形状になるように表面加
工を実施する。 
①表面孔シリコン微粒子（Si-NPPs）の作製  
・シリコンナノ粒子の表面積だけでなく、内部も有
効活用を考え、多孔形状を作製し、細孔内部への抗
体結合が可能かどうか検討する。 
・マイクロウェルプレートの課題である表面積の制
限を考え、ナノ粒子では多孔形状より表面積の大き
い金平糖形状の粒子を作製し、多孔形状（表面孔）
と金平糖形状（微細突起）のどちらが抗体の結合量
が多いか検討する。 
・多孔形状と金平糖形状の両方の利点を兼ね揃えた
ハイブリッド形状も作製し、抗体結合量の増加を確
認する。 
②Si-NPPs に対するアミノ基(NH 基)修飾 
・シリコンナノ表面加工粒子と抗体結合のため最適
な官能基の修飾条件を確認する。本研究ではアミノ
基の修飾を行なう。 
③Si-NPPs に対し JT-95 抗体の結合 
・甲状腺乳頭がんに特異的に結合する抗体を結合さ
せ抗体結合の変化を確認する。 
 
4.研究成果 
３-①作成したナノ多孔粒子の形態を走査型電子顕微
鏡(SEM)、多孔構造の細孔径 BET 窒素ガス吸着法を
用いて評価した。表面加工した粒子にはそれぞれ多
孔形状、凹凸形状、多孔形状と凹凸形状両方を持ち
合わさったハイブリッド形状の３種類が形成され、
多孔形では 100nm の粒子に対し約 20〜30nm の細
孔が確認できた。凹凸形状では凹凸間が約 15nm で
あることが確認できた。ハイブリッド形状において
は、凹凸間約 15nm と約 20nm の細孔両方の確認が
できた。 
3-②におけるアミノ基修飾状態は縮合反応の完結度
テスト（ニンヒドリン試験）より評価した。アミノ
基の縮合反応により、アミノ基を修飾していない粒
子は無職透明だが、アミノ基を修飾している全ての
粒子において紫色に発色した。発色をマイクロプレ
ートリーダによりλ570nm で吸光度を測定した無多
孔粒子をアミノ基修飾した。無多孔の粒子に比べ、
表面加工を施したシリコンナノ粒子、多孔形状より
凹凸形状、コンペイト形状よりハイブリッド形状の
方がアミノ基の修飾量が多いことがわかった。それ
は表面積が増えたことによるアミノ基修飾可能面積
も増加認めだと考えられる。多孔質に関しては細孔
の内部にアミノ基が就職できていない可能性があ
る。しかし、同形状においては、表面積は下がる
が、細孔径のサイズが大きくなることにより修飾し
やすくなったと考えられる。 
3-③ではシリコンナノ粒子にアミノ基修飾ができた
ことから、アミノ基と抗体との結合を行ったとこ
ろ、アミノ基架橋剤 BS3 を用いることで抗体と結合
させることに成功した。それぞれの形状の粒子にお
いて抗体の結合量はアミノ基の修飾量と似たような
結果になった。これによりアミノ基の有無によっ
て、結合できる抗体の量も変化するという位置付け
になる。しかし、多孔コンペイトウ形状には、多孔
質や、コンペイトウよりは抗体の結合量が増えたが
アミノ基修飾結果とは一致しない。その理由とし
て、細孔径が小さいがために粒子内部にアミノ基は
あるが、抗体が結合できなかったと考えられる。 
 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 3 件） 
① 2020 年材料学会 
② 2021 年バイオマテリアル国際学会 
③ 2021 年材料学会 


酵素抗体法への臨床応用を目指した抗体結合ナノ多孔粒子の開発

清水, 未紀

シミズ, ミノリ

 
東京電機大学大学院 
学位論文内容の要旨   
報告番号 先端科学技術甲第 180号 氏 名 清水未紀 
論文題目 アリール化のための低環境負荷型パラダサイクル触媒の開発 
   
化学製品合成の最先端を担う有機合成化学では、目的物をいかに効率よく高い収率で作
るかが大切であり、合成に使用する試薬や溶媒の毒性や危険性、副生成する無機塩廃棄物
の量にはあまり注意が向けられてこなかった。特に医薬品や機能性材料のような高付加価
値品の製造では、反応試薬、反応媒体の安全性、取り扱いやすさなどが見過ごされてきた
が、今後はこれらの製造分野においても廃棄物を極力出さないグリーン化が求められてい
る。このようなグリーンケミストリーの推進には、これまで行ってきた原料や添加物の大
量消費や、作業環境を無視してきたという過去を見直す必要がある。本論文ではグリーン
ケミストリーの実現に寄与することを目的として、化学量論反応よりも環境負荷の少ない
触媒反応に注目しており、より環境付加の少ない合成法の開発を研究目的とした。 
触媒反応の中でも、パラジウムを中心金属としたパラダサイクル錯体を触媒とする共役
付加反応や直接付加反応は、重要な炭素―炭素結合形成反応の 1 つとして知られている。
しかし、反応を進行させるためには多量の塩基や触媒を必要とする。塩基の添加がなけれ
ば反応は進行しないものの、パラダサイクルは塩基の存在下で有機ホウ素化合物とのトラ
ンスメタル化によって容易に 0 価へ還元され失活してしまうことから、反応系中でパラダ
サイクルが II 価を保つ必要のある直接付加反応や共役付加反応では失活した触媒を補う
ために多量の触媒が必要となる。そのため、グリーンケミストリーの観点からは、塩基の
存在下でも反応系中にてパラジウム中心の価数を II 価で保つことが可能なパラダサイク
ル錯体の開発や、塩基が存在しない条件でも反応を進行させることのできるようなパラダ
サイクル錯体の開発が求められている。 
 本論文は序章および全 5 章から構成されている。序論では本研究の背景として有機金属
錯体に使用される配位子の性質や、有機金属錯体触媒として用いる有機ホウ素化合物との
共役付加反応や直接付加反応について説明し、本研究の課題や目的について述べた。加え
て本論文の構成と各章についての概要をまとめている。 
第 1 章では、塩基の存在下で容易に 0 価へ還元してしまうパラダサイクル触媒の性能を
向上させるために、π 共役系化合物であるアントラセンをホスフィン配位子の母骨格とす
るパラダサイクル錯体を開発した。このパラダサイクルはテトラクロロパラジウム酸カリ
ウム、トリアルキルホスファイト、9-(diphenylphosphino)anthracene から容易に合成で
 
き、触媒として使用することでアリールボロン酸の電子不足型アルケンへの共役付加反応
において高い触媒性能を示した。このように塩基の存在下でもパラダサイクルのパラジウ
ム中心の価数を II価で保つパラダサイクル触媒の開発に成功し、グリーンケミストリーな
触媒反応の開発に成功した。 
 第 2章では、N-ヘテロ環状カルベン(NHC)配位のパラダサイクル触媒 H-IPr-CYPを用いて、
アリールボロン酸類とトリフルオロヘミアセタールの直接付加反応を行った。このように、
化学量論反応による合成が主流であったβ位にフッ素を有するα-アリールアルコール類の
合成において、より原子効率や官能基許容性に優れた合成法を見出すことに成功した。ま
た合成に使用する有機ホウ素化合物のホウ素部位を変更することで、フェニル基上の置換
基が電子供与性でも求引性でも合成できることを明らかにした。 
 第 3 章では、NHC 配位子の遠隔位に嵩高い置換基を有するパラダサイクル錯体である
PhS-IPent-CYP を触媒として用いて、アリールボロン酸類と抱水クロラールの直接付加反
応を行った。これまで 1-(hetero)aryl-2,2,2-trichloroethanol を合成する場合は湿気に
弱い有機金属試薬の使用や毒性のある試薬を必要としていたのに対し、本研究では抱水ク
ロラールを使用することで作業者に優しい合成法を開発した。そして、この反応ではトリ
アリールボロキシンの吸水能によってフェニル基上の置換基の電子的性質によってホウ素
上の置換基の最適構造が異なるということが明らかになった。これは第 2 章と同様の結果
である。これにより、ホウ素上の置換基を変更することでβ位に塩素を有するα-アリール
アルコール類である 1-(hetero)aryl-2,2,2-trichloroethanol の合成が可能となり、低触
媒量かつ官能基許容性に優れた合成法を見出した。 
 第 4 章では、添加物である塩基を使用せずに反応を行うために、NHC 配位子を有するパ
ラダサイクル触媒である PhS-IPr-CYP の塩素架橋をヒドロキシ架橋に変更した
PhS-IPr-CYPOH 触媒を用いた。そしてヒドロキシ架橋部位が塩基の役割を果たすことで、
塩基なしでアリールボロン酸のカルボニル化合物への直接付加反応を可能にした。このこ
とから、添加物である塩基を加える必要がないグリーンケミストリーな触媒反応の開発に
成功し、塩素架橋のパラダサイクル触媒はヒドロキシ架橋のパラダサイクル触媒になる過
程が反応機構における律速段階であると推察することができた。 
第 5 章では、総括として一連の研究成果および各章について述べた。本論文ではパラダ
サイクル錯体のパラジウム中心が反応系中で還元されにくくするために、ホスフィン配位
子にπ 共役系化合物を持たせることによるパラダサイクルが電子豊富な状態になるような
パラダサイクル触媒の開発や、還元の原因となっている塩基を使用しない塩基性のパラダ
サイクル触媒を開発した。今後、共役付加反応や直接付加反応においてパラダサイクル触
媒を応用していくための課題として考えられるのは、触媒の再利用や残留触媒の除去など
である。このようにパラダサイクル触媒によるアリールボロン酸の直接付加反応や共役付
加反応に関する研究進むことで、関連分野にも大きなインパクトをもたらすと期待できる。 


アリール化のための低環境負荷型パラダサイクル触媒の開発

芥川, 豪

笹谷, 真通

東京電機大学
総合研究所年報
課題番号
...................... 
課題名（和文）
........................................ .. 
課題名（英文）
研究代表者
共同研究者
Q22DS·02 
Annual Report 
The Research Institute for Science and Technology 
Tokvo Denki U niversitv 
木質大断面部材におけるシアプレー トを用いた接合部の構造性能の評価
所属（学部、 学科・学系・系列、 職位）
総合研究所、 特任助手
氏名 芥JI I豪
所属（学部、 学科・学系・系列、 職位）
未来科学部、 建築学科、 教授
氏名 笹谷 真通
所属（学部、 学科・学系・系列、 職位）
氏名
所属（学部、 学科・学系・系列、 職位）
氏名
所属（学部、 学科・学系・系列、 職位）
氏名
研究成果の概要（和文）
......... ................._....... ............ -•一...............................一...
本年度は、 研究目的である接合部の降伏耐力の推定と、 具体的なデティ ールの提案のために実験を通して接
合部の性状を把握した。 実験は、 木材側の形状寸法を変数とした実験を行った。
本年度実施した実験とこれまでに得られた知見より、 簡易的な降伏耐力の算定式を導きだすことができた。
得られた成果については、査読付き学会誌（技術報告集：日本建築学会）及び国際会議(WCTE2023)に投稿し成
果を外部にて発表した。
研究成果の概要（英文）
The properties of the joints were determined through experiments in order to estimate the yield capacity of 
the joints, which was the objective of the research, and to propose specific detials. Experiments were 
conducted using the shape of the wood side as variables . 
Based on the experiments conducted this year and the knowledge obtained so far, we were able to derive a 
simple formula for calculating the yield strength. 
The obtained results were submitted to a peer-reviewed journal (Technical Report: Architectural Institute 
of Japan) and an international conference (WCTE2023), and the results were presented externally. 
Evaluation of structural performance of joints using shear plates in large cross-section timbers



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