Tokyo Denki University Repository (TDU) / 学術リポジトリ

戸塚, 圭亮

五十嵐, 洋

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q22DS-04 
課題名（和文） ユーザベースの触覚モデリング 
課題名（英文） User-based Haptic Texture Modeling 
研究代表者 
所属: 総合研究所 
 
氏名: 戸塚 圭亮 
共同研究者 
所属: 工学部 電子システム工学科 
 
氏名: 渡辺 亮 
所属: 工学部 電子システム工学科 
 
氏名: 五十嵐 洋 
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） 
本研究課題は，振動を用いて再現した物体表面の粗さなどテクスチャ特性を，ユーザの操作で変更可能なシ
ステム開発を目的にした。期間内の作業は，テクスチャ振動の測定装置，テクスチャ再現システムの開発およ
び評価である。この成果に関しては国内学会 2 件と国際学会 1 件にて発表した。また，システムの改良とし
て，データ圧縮の基礎実験を実施し，圧縮しても情報劣化を人間が知覚出来ない条件を発見した。この成果に
関しては国内学会 2 件と国際学会 1 件にて発表した。 
 
研究成果の概要（英文） 
本文（９ポイント：Century） 
The purpose of this research project was to develop a system that allows the user to change the roughness 
and other texture characteristics of an object surface reproduced using vibration. During this period, we 
developed and evaluated a texture vibration measurement device and a texture reproduction system. The 
results were presented at two national conferences and one international conference. In addition, as an 
improvement of the system, we conducted basic experiments on data compression and discovered 
conditions under which information degradation cannot be perceived by humans even after compression. 
These results were presented at two domestic conferences and one international conference. 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
 
1.研究開始当初の背景 
物体表面をなぞったときに発生する振動スペ
クトルを再現することで，物体表面のテクスチャ
を再現できる。テクスチャの粗さや硬さは振動ス
ペクトルに反映されるため，これがテクスチャの
識別を可能にしている。この振動スペクトルはデ
ジタルフィルタで再現可能だが，振動スペクトル
はなぞる速度や押し付け力で変化するため，それ
に対応してフィルタを変更する必要があった。こ
こで，先行研究は速度と力にフィルタの伝達関数
を対応させていたが，伝達関数はスペクトルの特
性を直接表すことは出来ず，粗さや硬さに対応し
てフィルタを変更することは不可能であった。 
2.研究の目的 
本研究は，振動を用いて再現した物体表面の粗
さなどテクスチャ特性を，ユーザの操作で変更可
能なシステム開発を目的にした。従来手法の問題
を考慮し，速度と力にスペクトルの特性を直接対
応させることにした。振動スペクトルはある程度
の帯域幅をもつ 1 つ，あるいは 2 つのピークを保
有している。そこで，このピークを個別に再現す
るフィルタを作成することで，スペクトルの特性
をピークの個数，基本周波数，振幅，帯域幅に定
義することが可能であり，これらを速度と力に対
応できると考えた。 
3.研究の方法 
目的達成には次の項目を順に達成していくこ
とで達成可能であると計画を立てた。 
(1) 振動測定装置の開発 
(2) 振動スペクトルの近似システム 
(3) 振動のスペクトル特性と力，速度の対応 
(4) テクスチャ特性の数値化 
(5) (4)で取得した情報を(3)に追加 
(6) 完成したシステムの評価 
4.研究成果 
本年度の研究期間において終えた計画は，研究
の方法で挙げた(1)~(3)になる。ピークを個別に再
現するという手法は，振動スペクトルの特性をフ
ィルタ特性から推定するために考案した手法だ
が，結果としてフィルタ次数の大幅な圧縮に成功
した。これまでの手法であれば通常 400 次元の
IIR フィルタを使用していたが，本研究では 2 次
の IIR フィルタの組み合わせで再現に成功した。
加えて，研究を進める内に，スペクトルの特性の
一つであるピークの個数を 1 つに絞ることができ
る可能性を得た。そして，その可能性を確かめる
ために，研究期間の後半ではその仮説の検証を行
った。この検証結果を発表したところ，電気学会
の産業計測制御技術委員会より優秀論文発表賞
を頂いた。今後の展望として，今年度には達成で
きなかった(4)~(6)を実施すると共にこれまでの
結果を論文誌としてまとめることである。 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計  6 件） 
① 戸塚圭亮：”パラメトリックイコライザによ
る 振 動 合 成 の 提 案 及 び 評 価 ”，
ROBOMECH2022’2022，札幌【査読なし】． 
② 戸塚圭亮：”テクスチャ再現による第二ピー
クの重要性”，ISAM2022，2022. 名古屋【査
読なし】.  
③ 戸塚圭亮：”パラメトリックイコライザを用
いたなぞり動作時におけるテクスチャ再
現”，SICE SI，2022，幕張メッセ【査読なし】． 
④ 戸塚圭亮：” 測定ベースの触覚テクスチャに
お け る 高 周 波 振 動 の 知 覚 弁 別 ”，
IIP2023,2023，福岡【査読なし】. 
⑤ Keisuke Tozuka: “Human-based Evaluation 
for Vibration Synthesis with Parametric 
Equalizer”, MIPE2022, Nagoya, 2022【査読
あり】. 
⑥ Keisuke Tozuka: “Human-based Evaluation 
for Vibration Synthesis with Parametric 
Equalizer”, IEEE WHC2023, Delft 
Netherlands, 2023【査読あり】. 
 


Japanese

ユーザーベースの触覚モデリング

石黒, 康志

西谷, 平

      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 Q22E-02 
課題名（和文） 高感度化学センサに向けたシート状有機半導体薄膜の作製とセンサ応用 
課題名（英文） Fabrication of layered organic semiconductor film for chemical gas sensor application 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学部、電気電子工学科、助教 
氏名 石黒 康志 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科・大学院生 
氏名 西谷 平 
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） 
グラファイトのような層状構造を持ち，炭素原子と窒素原子で構成される半導体材料として知られている
層状窒化炭素（graphitic-carbon nitride, 以下 g-C3N4）を電気炉で合成し，それを水晶振動子上に製膜して
水素センサへの応用を試みた．作製した素子に水素を導入すると，水晶の共振周波数が変化して水素の検出に
成功した．従来の水素センサは一般的に高価な貴金属を用いて高温で動作させるのが，本研究の水素センサは
安価な有機材料を用いて室温で動作できる．今後は水素検出の原理の解明に取り組んでいく． 
 
 
研究成果の概要（英文） 
Graphitic-carbon nitride (g-C3N4) is a layered structure composed of carbon and nitrogen atoms and 
is known as a semiconducting material. A hydrogen gas sensor device was fabricated by synthesizing the 
g-C3N4 using a tube furnace and coating the film on a quartz crystal. The device detected hydrogen gas, 
that is, resonant frequency of the crystal changed with the hydrogen gas introduction. Our hydrogen 
sensor does not require noble metals and high-temperature operation, which are necessary with 
conventional hydrogen sensor. We are currently working to elucidate the detection mechanism of 
hydrogen. 
      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 
層状窒化炭素 (g-C3N4) はグラファイトのよう
な層状構造をもつ半導体材料で，古くから光触媒
材料として注目されている．また近年では g-C3N4
に分子が容易に吸着できる性質を持つことから，
ガスセンサ材料への応用も注目されており，本研
究でも g-C3N4 を合成してデバイスを作製し，水
素ガスセンサとしての応用を試みた． 
2.研究の目的 
 g-C3N4 のガスセンサ応用に関する研究はいく
つか報告されているが，その多くはガスが吸着し
たときの電気伝導性変化からガス検知する構造
である．しかし，g-C3N4のみではガス分子が吸着
しても電気伝導性変化が小さいことから，その多
くは貴金属等を混合させている．本研究では電気
伝導性変化ではなく，ガス分子が吸着したときの
質量変化を検出する水晶振動子マイクロバラン
ス（Quartz crystal microbalance, 以下 QCM）法
を用いて，g-C3N4膜で水素の検知を目的とする． 
3.研究の方法 
g-C3N4 粉末は原料にジシアンジアミド 
(C2H4N4) またはメラミン (C3H6N6) を用いて管
状電気炉内で 500℃, 4 h で加熱して合成した．合
成した粉末をメタノール中に分散させて，分散液
を水晶振動子に塗布して製膜を行った．製膜後は
真空中で 60℃, 2 h 乾燥させたものを評価した． 
 製膜した膜の化学組成を X 線光電子分光法 
(XPS) およびフーリエ変換赤外分光法 (FT-IR) 
で評価した．また粉末の結晶構造を X 線回折 
(XRD), 比表面積を窒素吸着等温線測定から算出
した． 
 水素ガスセンサ特性評価は，キャリアガスとし
て N2 ガスをマスフローコントローラーで一定流
量流した状態で，水素ガスを所定の流量で導入し
た際の，水晶の共振周波数変化を測定した．測定
の際の環境温度は 21℃で実施した．水晶振動子は
固有周波数 9 MHz, 電極径Φ5 mmのものを用い
た．比較として g-C3N4 を製膜していない水晶振
動子でも同様の測定を行った． 
4.研究成果 
図 1 に QCM 測定の結果を示す．図の赤線で示
すように，g-C3N4膜は水素に対して反応し，水素
導入によって周波数の増加が観測された．この変
化は繰り返し観測され，水素濃度に比例して周波
数変化量も変化することから，水素センサとして
の動作が確認された．一方で g-C3N4 を製膜して
いない水晶振動子では，図の黒線で示すように水
素に対して反応しないことから，g-C3N4が水素吸
着の役割を果たしていることが分かった．水素吸
着前後の g-C3N4膜の XPS 測定を行ったところ，
N1sピーク強度が吸着前後で変化していることか
ら，g-C3N4中の窒素原子が水素吸着に関与してい
ることが示唆される．現在，この水素検出の詳細
な原理の解明に取り組んでいる．  
図 1. QCM 水素ガスセンサ特性評価結果（赤
線：g-C3N4製膜あり，黒線：g-C3N4製膜なし） 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 4 件） 
① 第 63 回 フラーレン・ナノチューブ・グラフ
ェン総合シンポジウム，西谷平，石黒康志， 
Can Li, 平栗健二，2022 年 8 月 31 日，東京 
② The 2nd SLRI-TDU Symposium, Yasushi 
Ishiguro, 2022 年 11 月 4 日，オンライン 
③ 第 49 回炭素材料学会年会，西谷平，石黒康
志， Can Li, 平栗健二，2022 年 12 月 7 日，
兵庫 
④ 第 70 回応用物理学会春季学術講演会，石黒
康志，西谷平，Can Li, 平栗健二，2023 年 3
月，東京 


高感度化学センサに向けたシート状有機半導体薄膜の作製とセンサ応用

矢口, 俊之

鈴木, 俊介

金子, 真也

後藤, 優佑

伊藤, 大智

      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-04 
課題名（和
文） 
二相系浮遊培養を用いた細胞組織（オルガノイド）構築応用の基礎検討 
課題名（英
文） 
Fundamental study of an organoid construction by floating culture using aqueo
us two phase system. 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部電子工学系 教授 
氏名 矢口俊之 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学研究科・電子工学専攻・修士課程 
氏名 金子真也 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学研究科・電子工学専攻・修士課程 
氏名 後藤優佑 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学研究科・電子工学専攻・修士課程 
氏名 伊藤大智 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
臓器の再生や，臓器の構造を一部再現し，その機能を備えた細胞組織（以下，オルガ
ノイド）は，特異的な複数種類の細胞の立体的集合体である．その構築には細胞を三次
元的に配置，培養し，“三次元組織”として形成する必要がある．本課題では，水溶性二
相系（Aqueous Two Phase System, ATPS）法による三次元培養で細胞凝集塊を形成
し，それをさらに長期間培養し，維持・成長させるための長期培養システムの制御部分
について基礎開発を行った． 
 
研究成果の概要（英文） 
The purpose of this study is to develop a culturing system of organoids of mammalian cell suspensions 
using an aqueous two-phase system (ATPS) comprised of dextran and polyethylene glycol. Droplets of 
cell suspension to include different types of mammalian cells are suspended and maintained in a culture 
medium composed by ATPS in a developed flow chamber system. The usefulness of these capabilities is a 
generating organoids containing different type of cells. A prototype system for long time culture was 
developed. 
      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 
再生医療は急速に発展しつつあり，社会的に
も実用化の期待が高まっている．細胞を組織構
築する技術は三次元的にプリントする技術，細
胞シートを積層する技術等，数多く報告されて
いる．また近年，注目されている分野にオルガ
ノイド（ミニ臓器）が挙げられる．これは将来
の臨床応用だけでなく，創薬分野などでの応用
が期待されている．そこで本研究では，独自の
浮遊培養法によるオルガノイド形成を提案す
る．その基盤技術としてこれまでに我々が提案
してきた水性二相系溶液（Aqueous Two Phase 
System, ATPS）法を応用し実現可能性を検討し
た． 
  ATPS 法はどのバイオ系研究室にもあるピペ
ットで簡便に実施できる細胞や細菌の新たなパ
ターニング法（Yaguchi, Takayama et al., PL
OS ONE,2013 他）であり，培養液等の水性溶媒
に，ある特定の組み合わせで溶質（例．ポリエ
チレングリコール（PEG）とデキストラン（DE
X））を溶解させると，水と油が分離するように
二つの相（層）に分離した液体が得られる． 
これまでは平面に対する 2 次元パターニング
に用いられてきた ATPS を，その特性を活かし
た 3 次元浮遊培養へ応用し，細胞凝集塊の作成
とその実用化を検討した（特開 2021-65118）． 
 
2.研究の目的 
本発明は，様々な種類の接着性細胞を浮遊培
養することにより相互に接着させ，細胞凝集塊
を形成し，さらに長期の培養を行うことでより
高度な機能を備えたオルガノイドの形成を目指
す技術である． ATPS法を用いる浮遊培養法を長
期間（～1週間）行うことにより，それぞれの細
胞が生体内で発現していた機能を備えることを
期待している．また，複数の種類の細胞を混在
させたり，または複数の種類の細胞で別々の細
胞凝集塊を形成させ，その後に融合させること
によりオルガノイド形成を目指す．本研究開発
ではそのためのシステム構築を行い，特に浮遊
培養時の画像情報を用いた流量制御の検討を行
った． 
 
3.研究の方法 
本申請では，高い再現性で，より短時間で，
より大きなサイズに広範な細胞種類での細胞凝
集塊を形成するシステムを試作した．その中で
も技術的課題としていた，長期間の浮遊培養制
御に必要な流量コントロールを行うポンプ制御
について検討した．  
本発明の出願時には，細胞懸濁液滴を浮遊さ
せるための循環流量の調節は手動でのポンプ操
作で行っており，それによって培養時間は数時
間程度が限界となっている．また，装置全体の
セットアップも熟練を要する部分が多数あるた
め，製品化のためには誰もが簡便に扱えるシス
テム化が必要であり，これらを検討するための
プロトタイプを試作した．また，同時に各種条
件，特に二相培養液を構成する PEG，DEX の分子
量や，液滴浮遊部分のチューブ形状なども検討
し，再現性向上，時間効率化などを検討し，シ
ステムとあわせて検討した．また，形成した細
胞凝集塊同士をさらに融合させ，オルガノイド
形成の可能性を探るための基礎実験を行った．
市販の U底プレートを用い，そこに複数の細胞
凝集塊を播種することによって丸底に集まった
細胞凝集塊同士が融合するかを検証した． 
 
4.研究成果 
図 1 にプロトタイプシステムを示す．ローラ
ーポンプ（ISM597D，ISMATEC 社）を備え，
流路には ATPS の PEG 相液を充填する．浮遊培
養槽であるガラスチューブ（内径 4mm）に対し
て反重力方向に流れを与え，チューブ内部に細
胞懸濁 DEX を浮遊させるシステムとなる．この
チューブ部分をウェブカメラ
（UCAMC750FBBK，ELECOM 社）にて撮影
し（図 2），その画像を解析することで細胞懸濁
      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                     
 
DEX 液滴の位置を検出し，ポンプ回転数を増減
することにより液滴位置制御を可能とした．画
像解析としては細胞懸濁 DEX 液滴を滴下する前
の画像を背景として取得し，液滴を滴下した後
は 5 秒ごとに新たな画像を取得し背景差分法を
用いて液滴位置を検出し，その位置に応じてポ
ンプ回転数を制御することが可能となった． 
試作したシステムを用いて形成された複数の
細胞凝集塊を融合させる基礎実験も行った（図
3）．詳細な評価は行っていないものの，24時間
後には丸底に集まった細胞凝集塊同士が接着し
あう様子が確認され，プレートの揺動に対して
も凝集塊が一体となっていることが観察でき
た． 
今後は，様々な細胞種，特に病変部から得ら
れた細胞等を対象に凝集塊形成を行って疾患臓
器のオルガノイド形成を試みることや，浮遊培
養自体をより長時間で行うことで他の細胞凝集
塊形成法と細胞の機能面においてどのような違
いが生じるのか等を検討してゆく． 
 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 2 件） 
① 根岸龍之介，水性二相系を用いた浮遊
培養システムでの細胞凝集塊形成の検討，
ライフサポート学会第 32 回フロンティア講
演会，2023 年 3 月 13 日，早稲田大学． 
② 矢口俊之，水溶性二相系培養液を用い
たスフェロイド形成の試み，第 22 回日本再
生医療学会総会，2023 年 3 月 25 日，国立
京都国際会館 
図 1 ATPS 浮遊培養システム 
図 2 細胞懸濁 DEX 液滴 
図 3 U 底プレートによる 
細胞凝集塊同士の融合 


二相系浮遊培養を用いた細胞組織（オルガノイド）構築応用の基礎検討

木村, 憲

キムラ, ケン

石原, 美彦

古賀, 初

コガ, ハジメ

加藤, 知己

カトウ, トモキ

大学体育における健康・生活習慣の改善を目的としたICT教材の導入と効果検証―スポーツ実技・ICT演習一体型授業の効果―

山田, あすか

古賀, 政好

村川, 真紀

太田, 広奈

芝山, 竣也

原田, 豪

正能, 健太

医療と介護の連携・地域包括ケアのもとでの「ウェルネス・コミュニティ拠点」に関する研究

小松, 聡

清水, 優作

佐藤, 優大

鈴木, 崇仁

前澤, 龍平

      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 Q21T-02 
課題名（和文） IoT のための超小型 CMOS-MEMS 混載センサシステムの実現 
課題名（英文） Ultra-compact CMOS-MEMS Mixed Sensor System for IoT 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学部 電子システム工学科 教授 
氏名 小松 聡 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科 電子システム工学専攻 修士課程 
氏名 清水 優作 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科 電子システム工学専攻 修士課程 
氏名 佐藤 優大 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科 電子システム工学専攻 修士課程 
氏名 鈴木 崇仁 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科 電子システム工学専攻 修士課程 
氏名 前澤 龍平 
 
研究成果の概要（和文） 
本研究では，集積回路(Very Large Scale Integration: VLSI)と MEMS(Micro-Electro-Mechanical-Systems)
センサを CMOS プロセスによる同一のチップ上に混載することで，より小型で高性能な MEMS-CMOS 混載
センサシステムを実現することを目指して研究を行った．静電容量式 MEMS 加速度センサ，ピエゾ抵抗型
MEMS 圧力センサを CMOS プロセスで実現することで，センサ信号の読み出し回路（CV 変換回路，容量ブ
リッジ回路）と混載することを実現し，シミュレーションと実測により評価を行った． 
 
研究成果の概要（英文） 
This research aims to realize ultra-compact and high-performance CMOS-MEMS mixed sensor system by 
implementing both of VLSI (Very Large Scale Integration) and MEMS (Micro Electro-Mechanical 
Systems) sensor into a silicon chip. Capacitive accelerometers and piezo resistive pressure sensor are 
integrated with read-out circuits such as CV converter, capacitive bridge and evaluated by simulation and 
measurements. 
 
      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 
近年の IoT (Internet of Things)社会では，様々
な環境情報を感知するために膨大な数の「セン
サ」が室内外を問わず動作することになる．一般
にこれらのセンサは加速度，温度，光の強度，湿
度，などのそれぞれの物理量に特化した「センサ
モジュール」とそれの制御や出力信号の処理を行
う「コントローラ」が別々の部品として供給され，
プリント基板上で「センサシステム」が構築され
る．必然的に，センサシステムの大きさは各部品
のサイズによって制限があり，また，個別の部品
間の通信のオーバーヘッドにより性能上の制限
も存在する．このような背景から，社会に存在す
る膨大な数のセンサをできるだけ少ない部品点
数で，かつ，小さなサイズで実現することによっ
て，今後の IoT 社会のさらなる発展を促すことが
できるといえる． 
現在では， MEMS (Micro-Electro Mechanical 
Systems) 技術を用いることによって小型なセン
サモジュールを実現することが可能となったが，
そのプロセスは MEMS デバイスの作製に特化し
たものである．一方で，集積回路 (Very Large 
Scale Integration: VLSI)は非常に微細なトラン
ジスタを大量にシリコンチップ上に CMOS プロ
セスを用いて実装することで大規模な回路を実
現することが可能である．基本的に両者の製造プ
ロセスは異なるため，従来は MEMS によるセン
サモジュールと CMOS による制御回路／処理回
路は別々の部品として実装されている． 
このような背景を踏まえ，本研究課題では今後
の IoT社会の発展のために，CMOS技術とMEMS
技術の融合による，超小型 CMOS-MEMS 混載セ
ンサシステムの実現に取り組む． 
2.研究の目的 
本研究では，集積回路  (Very Large Scale 
Integration: VLSI) と MEMS (Micro-Electro-
Mechanical-Systems)センサを CMOS プロセス
による同一のチップ上に混載することで，より小
型で高性能なMEMS-CMOS混載センサシステム
を実現することを目指す．MEMS センサやそれを
制御するマイコンなどが個別の電子部品として
プリント基板上で組合せて実装されている従来
のシステムに対し，本研究では図 1 に示すような
1 つのチップ上に MEMS センサと CMOS 集積
回路を混載することで，より高速なセンサ信号の
読み出し，大容量のデータ処理，消費電力の削減，
といった混載によるメリットを生かした CMOS-
MEMS 混載センサシステムを実現する． 
具体的なゴールを以下に示す． 
・CMOS-MEMS 混載センサシステムを 2.5mm×
2.5mm 程度のシリコンチップ上に実現する． 
・圧力センサ，加速度センサの混載センサシステ
ムを実現し，リアルタイム処理ができることを確
認する． 
・混載したセンサシステムの測定・評価により，
実アプリケーションでの有効性の実証をする． 
3.研究の方法 
本研究では，超小型 CMOS-MEMS 混載センサ
システムの提案・実現とその実証評価を行うため
に，大きく分けて以下の項目について研究を行っ
た． 
3.研究の方法 
静電容量式 MEMS加速度センサの設計 
静電容量式加速度センサは，浮遊構造を持つ
錘とキャパシタの役割を果たす櫛歯形状の可動
電極と固定電極によって構成される．加速度セ
ンサの上面図を図1 に示す．加速度によって可
動電極が変動すると，櫛歯電極間距離が変化す
る． 
 
図 1. MEMS-CMOS 混載センサシステム 
MEMS
センサ
CMOS
回路
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
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0.8 µm CMOS プロセスを用いて加速度センサ
を設計した．加速度センサの構造図を図 2 に示
す．0.8 µm CMOS プロセスで設計した加速度セ
ンサの構造図は図 2(a) である．加速度センサの形
状はアルミニウム電極（Metal 1，Metal 2）とア
ルミニウム電極間を接続するタングステンビア
(Via) で構成される．また，0.18 µm CMOS プロ
セスで設計した加速度センサの構造図を図 2(b) 
である．加速度センサの形状は，アルミニウム
（Metal 1 -Metal 4）電極とアルミニウム電極間
を接続するタングステンビア(Via) で構成され
 
図 2. 静電容量式加速度センサの上面図 
 
図 3. CMOS プロセスによる加速度センサの構造 
 
図 4 集積した 1 軸向け CV 変換回路 
る．また，アルミニウム電極（Metal 5）を Z 軸
の電極とした．0.8 µm CMOS プロセスを用いた
1 軸向け CV 変換回路を設計した．加速度センサ
から得られる値が静電容量値のため，スイッチト
キャパシタを用いた CV 変換回路を採用した．利
点として，低ノイズで回路内の寄生容量の影響を
受けにくく，大きな帰還抵抗を必要としない点で
ある．1 軸向け加速度センサに集積した CV 変換
回路を図 4 に示す．回路図内の可変容量部分が
MEMS 加速度センサに相当する．MEMS 加速度
センサの差動静電容量変化に応じて電圧が出力
される． 
ピエゾ抵抗型 MEMS圧力センサの設計 
0.8 μm CMOS プロセスを用いてホイートス
トンブリッジ回路と計装アンプを組み合わせた
回路の試作を行った．図 1 にホイートストンブリ
ッジ回路と計装アンプを組み合わせた回路の回
路図を示す．PMOS と NMOS を組み合わせた回
路となっている． 
図 6 に圧力センサのレイアウトを示す．
PMOSFET はそれぞれダイアフラムの縁に配置
しており，NMOSFET はダイアフラムの縁と中心
に配置している．ダイアフラムの縁と中心では応
 
図 5. ホイートストンブリッジ回路+計装アンプ 
 
図 6. 圧力センサのレイアウト 
VDD
VSS
Vout
Vb Vb
Vb Vb
Vref
圧力センサ
(ホイートストンブリッジ回路)
計装アンプ
(増幅部分)
+
+
+
-
-
-
NMOS
ダイアフラムの中心
NMOS
ダイアフラムの縁
800 μm
800 μm
PMOS
正方形ダイアフラム
ホイートストンブリッジ回路
計装アンプ
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総合研究所年報 2022          No.42 Tokyo Denki University                     
 
力値が異なるため NMOSFET のドレイン電流の
変化も中心と縁で異なり，計装アンプの差動入力
が崩れることで出力電圧が圧力によって変化す
るような配置となっている．ダイアフラムの大き
さは 800 µm × 800 µm であり，厚さは 4.32 µm
である．図 3 にダイアフラムの断面図を示す．チ
ップの基板を裏面からエッチングすることによ
ってダイアフラムに圧力を加えた際にダイアフ
ラムが歪むことができるような形状を形成する． 
4.研究成果 
静電容量式 MEMS加速度センサの試作・評価 
ファウンドリに製造された段階の MEMS 加速
度センサと CV 変換回路を図 7 に示す．図 7(a) 
が MEMS 加速度センサ，図 7(b) が CV 変換回
路である．また，表 1 に MEMS 加速度センサと
CMOS集積回路によるCV変換回路を混載した際
の出力電圧の変化のシミュレーション結果を示
す． 
ピエゾ抵抗型 MEMS圧力センサの試作・評価 
オンセミコンダクター社の 0.8 μm CMOS プ
ロセスを用いてピエゾ抵抗型圧力センサの設計
を行った．結果として，0~100 kPa の範囲で回路
図レベルの感度は 15.4 mV/kPa であり，寄生抵抗
と寄生容量を考慮した際の感度は 8.10 mV/kPa
であった．従来の研究と比較して高感度であると
 
図 7. ファウンドリで製造されたチップ 
表 1. X 軸方向に加速度を印加した時の出力結果 
 
いえる．今後は，ファウンドリから届いたチップ
に対してプロセスを行い測定を行う予定である． 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 5 件） 
① 清水 優作, 小松 聡, “0.8µm CMOSプロセス
を用いた MEMS 加速度センサと CV 変換回
路の統合設計,” 第 34 回 回路とシステムワ
ークショップ, 2021 年 8 月. 
② 前澤 龍平, 小松 聡, “CMOS プロセスを用い
た MEMS 圧力センサと CV 変換回路の試作
と評価,” 第 35 回 回路とシステムワークシ
ョップ, 2022 年 8 月. 
③ 前澤 龍平, 小松 聡, “MOSFET のチャネル
抵抗を用いたピエゾ抵抗型 MEMS 圧力セン
サの試作と評価,” 令和 5 年 電気学会全国大
会 3-153, 2023 年 3 月. 
④ 佐藤 優大, 小松 聡, “静電容量型 MEMS 加
速度センサの自動生成,” 令和 5 年 電気学会
全国大会 3-156, 2023 年 3 月. 
⑤ Y. Sato, S. Yasunaga, Y. Mita, S. Komatsu, 
“Automatic Generation System of 
Capacitive MEMS Accelerometers,” Design, 
Test, Integration & Packaging of 
MEMS/MOEMS 2023 (DTIP2023), May 
2023. (to be presented) 
 


IoTのための超小型CMOS-MEMS混載センサシステムの実現

渡利, 久規

戸塚, 穂高

ヒョウ, コウエン

関, 香苗

山崎, 敬則

清水, 透

河井, 貴彦

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課題番号 Q21S-01 
課題名（和文） 大気圧プラズマと化学結合を併用した Mg 合金/樹脂の複合新素材の開発とその成形性 
課題名（英文） 
Development and formability of new laminated Mg alloy/polymer materials 
manufactured by applying atmospheric pressure plasma and chemical bonding 
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・機械工学系・教授 
氏名 渡利 久規 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
先端科学技術研究科・機械システム工学専攻博士課程 
氏名 戸塚穂高 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
先端科学技術研究科・機械システム工学専攻博士課程（2022 年度修了） 
氏名 ヒョウコウエン 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学研究科・機械工学専攻（2021 年度修了） 
氏名 関 香苗 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部・理工学科・機械工学系・教授 
氏名 山崎敬則 
 
研究成果の概要（和文） 
軽量化に貢献できるマルチマテリアル材料の実用化を目的として，双ロール鋳造法によって溶湯から直接
的にアルミニウム(Al)を 9％以上含有した高アルミニウム含有マグネシウム（Mg）合金板材を創成し，鋳造時
の冷却速度，熱処理の条件を変えて金属間化合物の分布形態を制御した．樹脂との接合に適した凹凸のある
Mg合金の表面に大気圧プラズマ処理を施し親水化された表面にシランカップリング剤を用いてMg合金の弱
点である耐食性をカバーする樹脂との化学的な接合を実現した．得られた Mg 合金/樹脂の料の成形性を調査
し，V 曲げ試験で冷間成形が可能であることを確認した． 
 
研究成果の概要（英文） 
For the fabrication of one of multi-materials, a high aluminum content magnesium (Mg) alloy sheetswas fabricated by 
directly from molten metal using twin roll casting. By adopting rapid solidification, and heat treatment, distribution of 
intermetallic compounds was controlled. The surface condition of the Mg alloy suitable for bonding with polymer was 
created, and after atmospheric pressure plasma treatment to Mg alloy, hydrophilized surface bonding with polymer was 
achieved using a silane coupling agent to cover corrosion resistance which is disadvantage of Mg alloy. The formability 
of the obtained Mg alloy/polymer composite was investigated, and it was confirmed that cold forming was possible by V-
bending tests. 
      Annual Report 
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1.研究開始当初の背景 
近年，電気自動車（EV）の開発が進み，従来の
鋼に代わる材料として，アルミニウム(Al)合金や
マグネシウム(Mg)合金，より軽量化が期待できる
炭素繊維強化複合材料(CFRP)が実用化されてき
ている．『マルチマテリアル化』による軽量化の実
現には，金属材料同士の異材接合だけでなく，材
料構造が異なる金属と樹脂あるいは金属と CFRP
との接合まで要求されてきている．革新的な軽量
化の実現には第 3世代の異種材料接合と言われる
金属/樹脂の接合が求められ，例えば最軽量実用金
属といわれる Mg 合金と樹脂を接合した素材の創
成，さらにその材料の成形が可能であれば軽量化
は加速する，しかし，現実にはそのような材料の
実用化の例はない．本研究では，『マルチマテリア
ル化』に対応できる Mｇ合金展伸材の開発，(2) 接
合強度が高く安定した接合法として，大気圧プラ
ズマと化学結合を併用した方法を使用して新し
く開発した Mg/樹脂の接合性と成形性を評価する
ことが重要な背景として存在している． 
 
2.研究の目的 
本研究では，軽量化に貢献できるマルチマテリ
アル化材料の実現を目的として，急冷凝固法によ
って溶湯から直接アルミニウム(Al)を 9％以上含
有した高アルミニウム含有マグネシウム（Mg）合
金板材を創成し，鋳造時の冷却速度，熱処理の温
度を変えることで金属間化合物の分布形態を制
御することでサブナノオーダーの凹凸を形成し
接合に適した Mg 合金の表面状態を創成する．さ
らにサブナノオーダーの凹凸を形成した Mg 合金
の表面に大気圧プラズマ処理を施し，親水化した
後に Mg 合金の弱点となっている耐食性をカバー
するためシランカップリング剤を用いて樹脂と
の化学的な接合を実現する．本研究では，Mg 合
金結晶の制御による粗面化，シランカップリング
剤と接合性の因果関係を解明し，曲げ成形性を調
査することを主たる目的としている． 
3.研究の方法 
 高 Al 含有 Mg 合金として，AM100 および
AZ91 を選択し，市接着材を使用してシランカッ
プリング処理の適用条件について考察を行った．
また， AM100 溶体化処理材の接着前処理工程に
おいて酸洗以降のすすぎ時の洗浄液を精製水と
エタノールの 2 条件で，α相上に成長する水和皮
膜が引張接着強度に及ぼす影響を調査した． 
4.研究成果 
 Mg 合金の時効処理によって金属間化合物が連
続析出する場合180秒酸洗した場合最大高さは約
２μ程度であり，粒内は１μm より微細な凹凸が
できることが確認された．高 Al 含有 Mg 合金の
金属間化合物を利用して，シランカップリング処
理により円柱突合せ試験をした結果では，T4 処理
の AM100 で 35MPa の接着強度が得られた． 
 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 4 件） 
① 石川直樹，戸塚穂高，羽賀俊雄，渡利久規，
Mg-Al-Zn-Sn 系合金双ロール鋳造材の静的
再結晶に冷間異周速圧延が及ぼす影響，軽金
属学会第 143 回秋期大会（2022 年 11 月） 
② 野崎尚平，戸塚穂高，鈴木真由美，渡利久規, 
シランカップリング処理した AM100 マグネ
シウム合金鋳造材の接着強度に及ぼす時効
処理の影響，軽金属学会第 143 回秋期大会
（2022 年 11 月） 
③ 戸塚穂高，渡利久規，鈴木真由美，羽賀俊雄，
Mg-Al-Sn 系マグネシウム合金鋳造材の動的
再結晶に連続析出物の形状と分布が及ぼす
影響，軽金属学会第 143 回秋期大会（2022 年
11 月） 
④ 戸塚穂高，渡利久規，羽賀俊雄，繰返し曲げ
加工とショットピーニングが Mg-Al-Sn 系合
金双ロール鋳造材の冷間曲げ成形性に及ぼ
す影響，軽金属学会第 144 回春季大会（2023
年 5 月） 


大気圧プラズマと化学結合を併用したMg合金/樹脂の複合新素材の開発とその成形性

宮元, 大地

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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 Q22D-02 
課題名（和文） 褥瘡予防に向けた浮腫に対する力フィードバック手法の検討 
課題名（英文） Force Feedback Method for Edema to Prevent Bedsore 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
先端科学技術研究科 電気電子システム工学専攻 3 年 
氏名 宮元 大地 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学部 電子システム工学科 教授 
氏名 五十嵐 洋 
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、力と浮腫の関係に対し、反力による明確化を目的として浮腫シミュレータに対する検証実験を
実施した。研究成果として、浮腫シミュレータに対する圧力が減圧されたときにバネ項のパラメータが増加す
る傾向が確認され、浮腫がない場合と比べて明確な差異が確認された。用意した浮腫シミュレータのうち、最
も重症度が高いケースにおいて、上記の傾向と反する傾向が確認されたため、今後の研究において精査を行い
他のパラメータとの関連性について検討を行う。 
 
 
研究成果の概要（英文） 
In this research, the experiment was conducted to clarify the relationship between edema and reaction 
force. As a result, it was confirmed that the parameter of the spring term tended to increase when the 
depressurization pressure for the edema simulator. The difference was distinct if edema or not. Among the 
edema simulators, reverse tendency was confirmed in the highest severity case. We will conduct a close 
examination in a future study to examine the relevance of other parameters. 
 
 
      Annual Report 
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1.研究開始当初の背景 
日本において、2025 年の介護事業計画遂行に必要
な従事者数に対し、約 35 万人もの担い手が不足して
いる。加えて、介護業務において褥瘡予防は、体位変
換などの力作業が多いことに加え、適切な予防方法
や判別に必要なパラメータが多岐に及ぶことより知
識的な負担も要求される。 
しかし、CYBERDYNE 社の HAL に代表される
パワードスーツや介護用ベッドなどの装置では、パ
ワーアシストが可能である一方で、頻度や必要度合
の判別には従事者の判断が必要となる。このことよ
り、褥瘡の知識面に対する負担減少を図るには現行
の装置では不十分と言える。 
 
2.研究の目的 
褥瘡は圧力及びせん断力により皮膚に力が印加さ
れ続けることによって発生する。これらの力は一意
に決定づけされるのではなく、栄養状態や皮膚の湿
潤などの複合的要因を持って複雑に構成される。本
研究では構成されるパラメータの一つとして浮腫に
着目する。 
浮腫は、認定看護師制度でも皮膚のアセスメント
の一つとして学習する。一方で、時々刻々と変化す
るため、正確な状況を得るためには定期的なモニタ
リングが必要となる。 
本研究では、力と浮腫の関係に対し、反力による
明確化を目的とする。 
 
3.研究の方法 
(1) 機構の構成について 
 図 1 に示す測定機構は、動力として日本パルスモ
ータ社製のリニアアクチュエータを使用し、測定対
象の浮腫のサンプルとして京都科学社製の浮腫シミ
ュレータを使用する。加えて、浮腫シミュレータを
垂直に設置する固定具の計 3 つの要素により構成さ
れる。また、駆動部として、ϕ6 のアルミシャフトを
使用し、リニアアクチュエータにより力の印加を行
う。 
 
 
図 1 Measuring device 
 
(2) 浮腫モデルの算出手法 
 図 2 に示すように、アクチュエータから力を印加
したあと力の印加を停止することで浮腫シミュレー
タにかかる圧力を除圧する。この関係より以下の式
が導出される。 
         𝐷𝐷?̇?𝑥 +𝐾𝐾(𝑥𝑥0 + 𝑥𝑥)  =  𝑓𝑓        … 式 1 
除圧時に浮腫シミュレータに与えられた力はアク
チュエータに対して変位𝑥𝑥を与え、復元力により初期
値𝑥𝑥0が 0[mm]となる反力を与える。また、浮腫の圧
痕は重症度によって、押下前と同じ状態に戻るまで
の時間が異なる。このことより、速度?̇?𝑥が変化すると
推測される。よって、𝑥𝑥および ?̇?𝑥より算出されるダン
パ項(D項)およびバネ項(K項)を浮腫モデルとして算
出する。 
 
 
 
 
 
 
図 2 Applied force and reaction force 
 
(3) 実験手法 
浮腫の判別方法の一つとして、約 10 秒間で 5[mm] 
押下した際の圧痕により判別を行う手法が一般的に
行われている。図 3 に示すように、上記の判別手法
(a) Pressurized state (b) Decompression state 
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を参考として、Control 区間において目標が初期位
置から−5[mm]の位置となるように PID 制御を行
い、除圧後の Test 区間において浮腫モデルが導かれ
る。式 1 の f を 1[N]となるよう減圧し、減圧後約 10
秒間の変位および速度変化を取得し、最小二乗法に
よって各モデルが算出される。 
図 3 Control image 
 
4.研究成果 
 本実験は、Nomal(浮腫なし)、1+、2+、3+、4+の
5 つの重症度に対して各 3 回ずつ検証を行う。除圧
後の変化に基づき取得した D 項および K 項のパラ
メータの平均値を表 1 に示す。 
算出された D 項のパラメータは、各重症度間での
ばらつきが大きく、相関を確認ですることは困難で
あった。しかしながら、表 2 に示すように、同一実
験条件下でもばらつきがある場合とない場合が存在
する。実験環境の影響が、変位と比べて速度変化に 
影響を及ぼしていると推測されるため、今後の研究
では誤差が生じづらい実験環境の構築が必要とな
る。 
次に K 項のパラメータを確認する。表 1 より、浮
腫の重症度の増加によるパラメータの増加が確認さ
れた。特に、浮腫が発生していない Nomal は、軽度
な浮腫との差が明確であり、浮腫の有無の判別が可
能であると推測される。しかしながら、重症度 4+の
場合は重症度 3+の場合と比べて K 項が減少してお
り、D 項同様、実験環境の再構築を実施した上で、
K 項やその他のパラメータによる要因の検討を行
う。 
表 1 Result of measured edema model 
 
 
 
 
表 2 Reproducibility and measured edema model 
 
 


褥瘡予防に向けた浮腫に対する力フィードバック手法の検討

長原, 礼宗

今倉, 大輝

松本, 拓海

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課題番号 Q21L-01 
課題名（和文） 哺乳細胞による低温ストレス防護機構の解明 
課題名（英文） Elucidation of cold stress response mechanism in mammalian cells 
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、教授 
氏名 長原 礼宗 
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） 
ヒト角化細胞株 HaCaT に対して 4℃低温処理を施したところ、ミトコンドリア傷害が誘導され、オートファ
ジーの際に隔離膜伸長に関与する LC3 が働くことが明らかになった。つまり、低温処理による細胞内傷害を軽
減すべく、オートファジーを誘導していることが示唆される。このような細胞内低温検知機構として、TRP フ
ァミリーの関与が考えられた。 
 
 
 
研究成果の概要（英文） 
Low-temperature (4°C) treatment to human keratinocytes, HaCaT, induced mitochondrial injury. Also, 
LC3, which is involved in isolation membrane elongation during autophagy, were converted to LC-II form. 
This evidence shows that autophagy is induced to reduce intracellular damage caused by low-temperature 
treatment. Moreover, the involvement of the TRP family was suggested as such an intracellular cold 
sensing mechanism. 
 
  
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
温度変化や圧力、物理的刺激などの環境ストレス
が生体に与えられると、生体はストレスから防護す
るための応答反応が生じる。環境ストレスの一種で
ある低温に対するストレス応答研究は、基本的にそ
の場から移動することができない植物において盛ん
に進められてきた。その結果、低温ストレスにより、
植物細胞中の葉緑体やミトコンドリアといった細胞
小器官が傷害を受け、活性酸素種（ROS）が生産、
蓄積され、細胞死が誘導されることが明らかとなっ
た。一方で、哺乳細胞においては恒温動物細胞のた
め、低温ストレス応答についての研究は進んでいな
い。 
一般に、細胞内で ROS などによるダメージを受け
た細胞小器官は有害で不必要であるため、細胞内の
恒常性を維持するため、それら細胞小器官を膜で包
み、その後タンパク質分解酵素を有する細胞小器官、
リソソームと融合することで、細胞質へ漏れ出すこ
となく、内容物を分解する。この分解現象をオート
ファジーと呼ぶ。 
低温ストレスによって ROS が生じ、細胞小器官が
ダメージを受けるのであれば、細胞死回避のために、
傷害を受けた細胞小器官を分解するためにオートフ
ァジーが誘導されると考えられる。 
2.研究の目的 
上記の背景から、恒温動物である哺乳細胞であっ
ても、例えば生体で外部環境と接する皮膚は低温に
曝露されやすいため、低温ストレス哺乳細胞を通常
よりも低温に暴露することで低温ストレスを誘発さ
せることができるのではないかと考えた。そこで、
通常の 37℃以下の低温でヒト皮膚細胞を培養する
ことで、オートファジーが生じるかどうかを検証す
ることとした。また、低温ストレスを検知し、オー
トファジーを進行させるのに必要な温度感受性タン
パク質を明らかにすることを試みた。 
3.研究の方法 
(1) ヒト皮膚細胞株の培養 
 本実験にはヒト角化細胞株 HaCaT をモデル細胞
として用いた。細胞は 10%ウシ胎児血清を含む
DMEM培地で培養し、対数増殖期の細胞を実験に供
した。 
(2) ミトコンドリア傷害評価 
 HaCaT 細胞にミトコンドリア膜電位依存性の指
示薬 JC-1 を 1 µg/mL添加し、15 分培養した。その
後 4℃で一定時間 25 mM HEPES を添加した
DMEM培地中で培養した。ミトコンドリアに集積し
た JC-1（赤色）とミトコンドリア膜電位が低下して
細胞内に留まったモノマー（緑色）の変化を共焦点
顕微鏡で観察した。 
(3) ウェスタンブロッティング法によるタンパク質
の解析 
 HaCaT 細胞を PBS で遠心洗浄後、タンパク質可
溶化液{50 mM HEPES, pH7.5, 10% glycerol, 150 
mM NaCl, 1% Triton X-100, 1 mM EGTA, 1.5 mM 
MgCl2, 1 mM sodium orthovanadate, 0.1% 
proteinase inhibitor cocktail (Sigma)}を用いてタン
パク質を可溶化した。可溶液中のタンパク質濃度は
BCA法を用いて測定し、各サンプルを一定濃度のタ
ンパク質に調整後、SDSポリアクリルアミドゲル電
気泳動を行った後、PVDF 膜に転写した。一次抗体
として LC3, p62, GAPDH に結合する抗体を用いて
ウェスタンブロッティングを行い、化学発光法にて
タンパク質バンドを検出した。 
(4) RT-PCRによるHaCaT細胞における温度感受性
チャネルタンパク質のmRNA発現 
 HaCaT 細胞における各 TRPチャネルの発現を検
討するため、定常状態の HaCaT 細胞から抽出した
mRNA を RT-PCR に供し、アガロースゲル電気泳動
を行って、臭化エチジウム染色によって PCR 産物の
有無を評価した。 
4.研究成果 
(1)4℃低温処理によるミトコンドリア傷害 
 4℃処理により、HaCaT 細胞のミトコンドリアに
傷害が起きるかどうかを検証した。カチオン性の蛍
光色素 JC-1 を用いて共焦点顕微鏡でミトコンドリ
ア膜電位を観察した。ミトコンドリア膜電位が高い
（正常状態の）場合、JC-1 はミトコンドリアに集積
して赤色蛍光を生じる。しかし、ミトコンドリア膜
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電位が低く、JC-1 が細胞内に拡散した状態では緑色
蛍光のモノマーとなり、蛍光の差が生じる。図 1 の
ように、HaCaT を 4℃処理した際、JC-1 の蛍光は
経時的に赤色から緑色にシフトし、ミトコンドリア
膜電位の低下が生じていることが明らかになった。 
 
図 1. 低温によるミトコンドリア膜電位低下(CCCP; 
m-chlorophenylhydrazone, ポジティブコントロー
ルとして用いた膜電位低下剤) 
(2)低温によるオートファジー誘導 
低温により、オートファジーは誘導されるのかを
Western blotting により検討した。 
オートファジー誘導時の指標として、まず、不要
となった細胞小器官や、タンパクを包むために隔離
膜の伸長や隔離膜の閉鎖により小胞（オートファゴ
ソーム）形成に関与するタンパク質、LC3 が存在す
る。LC3 はⅠ型から、オートファジー誘導に伴いフ
ォスファチジルエタノールアミンと結合して隔離膜
へ結合できるⅡ型へ遷移するため、ウェスタンブロ
ット法で LC3-II の増加を確認することでオートフ
ァジーの進行を検討できる。また不要となった細胞
小器官やタンパク質は p62 によりオートファゴソー
ムへと運ばれる。そこで、低温処理した HaCaT 細
胞からタンパク質を回収し、ウェスタンブロット法
にて LC3-II、p62量をそれぞれ検出した。図 2 の結
果、4℃低温処理を 1~2時間行っても LC3 の II型へ
の遷移は確認できなかった。しかし、4℃低温処理を
4 時間行うと、37℃処理したサンプルと比較して
LC3-II へ遷移することが明らかとなった。結果、4℃
低温処理を 4 時間行うことでオートファジーが進行
していることが示唆された。しかし、p62 量は 4℃
低温処理を 4 時間行っても変化は生じていなかっ
た。なお、各実験サンプルのタンパク質が等量存在
しているかを検証するため、コントロールとして細
胞内に豊富に存在する GAPDH の量も測定し、
GAPDH 量は変化していないこともあわせて確認し
ている。 
 
図 2. 低温による LC3の時間依存的遷移 
(3) RT-PCRによるHaCaT細胞における温度感受性
チャネルタンパク質のmRNA発現 
HaCaT がいかに低温を感受できるのか、温度感受
性チャネルタンパク質である TRP チャネルファミ
リータンパク質の mRNA 発現を RT-PCR により検
討した。図 3 より、定常状態の HaCaT からは、
TRPM4 のみ発現が確認され、それ以外のアイソフ
ォームについては検出されなかった。 
 
図 3.TRPチャネルのmRNA発現状態 
(4)まとめ・今後の展望 
 本研究により、4℃低温処理を 4時間行ったサンプ
ルにおいて、LC3-II の遷移は生じていることが確認
できたが、p62 量の変化は確認できなかった。この
ことから、4℃処理によってオートファジーは進行す
0 h 4 h
8 h CCCP
15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図６ 低温処理による Western Blotting の結果 
15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 estern Blotting  
15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図６ 低温処理による Western Blotting の結果 
LC3-I
LC3-II
p62
GAPDH
0 h 4 h 1 h 2 h 4 h
37℃ 4℃
bp
分
子
量
マ
ー
カ
ー
TR
PA
1
TR
PM
8
TR
PM
4
TR
PM
5
TR
PV
4
TR
PV
1
TR
PV
2
G
AP
DH
1000
700
500
400
300
200
100
分
子
量
マ
ー
カ
ー
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
るが、p62 は関与していないことが考えられる。傷
害ミトコンドリアは p62 が関与するオートファジー
の他に、p62 非依存型に隔離膜に輸送する方法もあ
るため、今後 p62非依存の経路を検証する必要があ
る。 
細胞がいかにして低温を検知するのか、RT-PCR
の結果より、HaCaT には TRPM4 が発現しているこ
とが確認された。TRPM4 は 15℃～35℃で活性化し、
細胞内に Na+イオンなどのカチオンを流入させる
TRPチャネルと報告されている。今回、実験系とし
て 37℃から 4℃まで低下させており、温度低下に伴
ってカチオンが流入し、ミトコンドリアが傷害を受
ける可能性が示唆された。 
 


哺乳細胞による低温ストレス防護機構の解明

根本, 航

本間, 美紗都

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q21L-03 
課題名（和文） 膜タンパク質間相互作用に影響を及ぼすスプライシングアイソフォームの予測 
課題名（英文） Prediction of splicing isoforms affecting membrane protein-protein interactions 
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 教授 
氏名 根本 航 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学研究科 生命理工学専攻 (2023 年 3 月修了) 
氏名 本間 美紗都 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学研究科 生命理工学専攻 1 年 (2022 年度) 
氏名 福島 碧唯 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部 生命科学系 4 年 (2022 年度) 
氏名 齋藤 豪太 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部 生命科学系 4 年 (2022 年度) 
氏名 高橋 優斗 
 
研究成果の概要（和文） 
膜タンパク質の分子表面での疾患関連変異のうち、膜タンパク質間相互作用に影響を及ぼすものを予測す
る予定であった。しかし、研究開始後に、本研究の基盤となる GGIP 自体の予測精度が極めて不安定であるこ
とが判明した。そこでまず GGIP の改良を行うこととした。膜タンパク質全般の相互作用ペア予測手法の精
度改善のための準備も同時に進めたが、本稿では基盤技術の改良についてのみ記す。従来、タンパク質間相互
作用ペア予測を行う際、水溶性タンパク質と膜タンパク質とを分けて取り扱うことが通例であったが、本研究
にて両者を区別せず取り扱うことができる可能性が示唆された。 
 
研究成果の概要（英文） 
Our initial plan was to predict disease-associate mutated sites at the molecular surface of membrane 
proteins that affect interactions among membrane proteins. However, after the start of our study, it was 
found that the GGIP itself, the basis of this study, was extremely unstable in its prediction accuracy. We 
decided to improve the GGIP first. Although we also made preparations to improve the accuracy of the 
interaction pair prediction method for general membrane proteins, this report only describes the 
improvement of the basic technology. In the past, when predicting protein-protein interaction pairs, 
soluble proteins and membrane proteins were usually treated separately, but this study suggests the 
possibility to treat both types of proteins with the same method. 
      Annual Report 
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1.研究開始当初の背景 
・膜タンパク質間相互作用  
膜タンパク質同士も特異的かつ一過的に相互
作用し、相互作用相手に応じた多彩な機能を発揮
する。網羅的な解析も行われており、膜タンパク
質間相互作用ネットワークの存在も示されてい
る。NMDA 型グルタミン酸受容体 (NMDAR) を
介した興奮毒性による神経細胞死には、NMDAR
と TRPM4 イオンチャネル (TRPM4) との一過
的な相互作用が関わる。この相互作用を低分子で
阻害すると神経細胞死を抑制できることも示さ
れた。さらに、膜タンパク質間相互作用が相互作
用面 (インターフェイス) に直接結合する低分子
で制御できることも示された。類似の作用機序に
よる創薬が進展する可能性がある。 
・GPCR 間相互作用インターフェイス予測と相互
作用ペア予測 
我々は、膜タンパク質の中でも G タンパク質共
役型受容体 (GPCR) 間の相互作用に着目してき
た。GPCR 同士で形成する高次複合体 (オリゴマ
ー) の機能は、リガンド結合能・共役 G タンパク
質・発現量・細胞内輸送などのうち少なくとも一
つがモノマーの場合とは異なる。オリゴマー形成
は疾患・高次機能と関連し、その制御物質は、既
存の GPCR 標的薬とは作用機序が異なる可能性
が高い。我々はこれまでに GPCR オリゴマーに関
する 2 つの予測手法、GRIP と GGIP を開発した。
GRIP に標的 GPCR 配列を入力すると、その相同
配列と立体構造を利用し、保存残基の集積を指標
にインターフェイス領域を予測する。GGIP は、
立体構造・配列を利用し、サポートベクターマシ
ンにより相互作用するペアか否か(ヘテロダイマ
ー形成ペア ) を予測する [ 業績 3] 。最近、
Autoencoder を使用し予測精度を改善した 
(AUC:0.992) 。 
・GPCR 間相互作用に影響を及ぼす疾患関連変異
解析  
異なるサンプル由来の体細胞で繰り返し見出
されるコード領域における変異はホットスポッ
ト変異と呼ばれる。発がん関連ホットスポット変
異が GPCR にも多数存在し、大半の疾患誘発機構
は不明である[3]。膜貫通領域 (TM) 内側と細胞
内外ループや近傍への変異は、リガンド結合や三
量体 G タンパク質との共役に影響を及ぼす。一
方、TM において脂質二重層と接する領域への変
異は、同様の解釈は困難である。我々は GGIP を
応用し、GPCR の疾患関連変異解析を行い、GPCR
間相互作用への影響を検討した。野生型膜タンパ
ク質配列ペアを GGIP に入力した時と、ペアの少
なくとも一方に疾患関連変異を導入した時の予
測結果が変化した場合、GPCR 間相互作用に影響
を及ぼす変異であると判定した。相互作用予測結
果の変化には「相互作用する」と予測されていた
ものが「相互作用しない」と予測される場合と、
その逆とがある。4,772 個の解析対象変異のう
ち、169 個は GPCR 間相互作用を阻害し、16 個
は促進した。個々の GPCR ごとに違いはあるが、
相互作用阻害変異は第 1 細胞内ループと TM7 中
央部に、相互作用促進変異は第 1 細胞外ループと
TM2 中央部に集積する傾向があった。GRIP を用
いた解析で、GPCR 間相互作用のためのインター
フェイスは、内在性リガンドの結合への寄与度は
低い TM4 の表面を中心に位置する傾向にあるこ
とを示した。疾患関連変異のうち相互作用阻害変
異は相互作用インターフェイス近傍に多く、リガ
ンド結合部位が存在する TM からは遠い。相互作
用阻害はインターフェイスかその近傍に直接影
響を及ぼし実現される。一方、相互作用促進変異
はリガンド結合部位が集積するTMの外側もしく
は近傍のループ領域に多い。インターフェイス付
近に少々変異が入っても相互作用は促進されず、
リガンド結合部位付近への変異で、リガンド結合
に際しての構造変化にも影響を及ぼし促進され
ると推測される。各領域におけるアミノ酸置換に
も傾向があった。 
・S.cerevisiae (酵母) 配列に特化した膜タンパク
質間相互作用ペア予測 
 GGIP を拡張し、一般的な膜タンパク質同士の
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相互作用ペア予測手法を開発した(MMIP)。その
後、Multi-Layer Perceptron (MLP)を応用し、予
測精度を向上させた(AUC:0.995)。ただし、現時点
では、豊富に正例を入手できた酵母配列に解析対
象が限定されている。 
一般的な膜タンパク質への疾患関連変異に、膜
タンパク質間相互作用に影響を及ぼし疾患を阻
害/誘発するものが存在するだろうか。どのような
立体構造領域での、どのようなアミノ酸間の変異
が、どのように機能部位に影響を及ぼすのだろう
か。特に、一塩基多型以外の長い領域にわたるゲ
ノム構造変化はどのように影響を及ぼすだろう
か。 
変異導入前後での予測結果を比較する本研究
は、変異が分子機能変化を通して形質変化に至る
機構を議論する汎用的手法に拡張可能である。短
時間で変異の影響を見積もるため、任意のタンパ
ク質の全残基を変異させ影響を予測するなどの
網羅的解析が可能で、蓄積し続ける変異情報の解
析基盤に発展する。表現型の個人差を生む遺伝情
報の差異の解析と分子機構解明は、医薬開発への
貢献が考えられる。サイトカイン・ストームやブ
ラジキニン・ストームに関与する受容体群は、他
の膜タンパク質との相互作用、相互作用モチー
フ、機能変化が報告されており、COVID-19 含む
ウイルス研究との関連でも興味深い。 
 
2.研究の目的 
膜タンパク質の分子表面での疾患関連変異の
うち、膜タンパク質間相互作用に影響を及ぼすも
のを予測する予定であった。しかし、研究開始後
に、本研究の基盤となる GGIP 自体の予測精度が
極めて不安定であることが判明した。そこでまず
GGIP の改良を行うこととした。 
膜タンパク質全般の相互作用ペア予測手法の
精度改善のための準備も同時に進めたが、本稿で
は齋藤が中心となって進めた基盤技術の改良に
ついてのみ記す。 
 
3.研究の方法 
 GGIP の改良には 2 つの方法で取り組んだ。一
つは水溶性タンパク質間の相互作用ペア予測手
法 SDNN-PPI (Li, X. et al. BMC Genomics 23, 
474 2022)を応用した方法、もう一つは、Auto 
Encoder と Gradient Boosted Decision Trees を
組み合わせて用いる方法である。本稿執筆時点で
は後者についての精度検証が不十分であるため、
前者についてのみ記す。 
本研究の手順は 3 つに分けられる。まず、学習
に用いる GPCR のアミノ酸配列データを取得し
エンコーディング等の前処理を行った。次に、準
備したデータを用いて学習を行い、各精度指標を
もとに本研究における最良のモデルを決定した。
最後に、決定したモデルを用いて相互作用情報が
未知であるペアの予測を行った。 
3-1. 学習に使用するデータの取得および前処理 
・解析対象配列の取得 
相互作用ペア FASTA 形式配列を UniProt デー
タベースより取得した。 
・配列データのエンコーディング 
AAC, CT, AC の 3 種類のエンコーディング手
法を用いて、取得したそれぞれの GPCR のアミノ
酸配列データを573次元の特徴ベクトルに変換し
た。 
・予測器の構築 
SDNN-PPI に 4-1 で作成したデータを入力し
学習を行なった。 
・エポック数およびバッチサイズの検証 
エポック数とバッチサイズ (batch size)を決定
した。この際、エポック数およびバッチサイズの
組み合わせによる精度の変化を見積もるため、デ
ータセットをランダムに 3 通りで固定し、学習に
用いた。3 通りのモデルの各精度指標の平均値を
そのハイパーパラメータ設定でのモデルの精度
とした。エポック数は 10, 20, 30, 40, 50 の 5 通
り、バッチサイズは 16, 32, 64 の 3 通り、合計 45
通りの組み合わせで検証した。 
・入力データの比率検証 
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上述のハイパーパラメータ設定にて、データセ
ットの比率を検証した。ポジティブデータとネガ
ティブデータの比率は 1:1~1:5 の 5 通りを試し
た。各比率にて 5 回試行した際の各精度指標の平
均値をその比率におけるモデルの精度とした。ネ
ガティブデータは毎回ランダムに抽出している。 
・精度評価 
予測器の精度評価には、Accuracy, Sensitivity, 
Specificity, Precision, Matthews Correlation 
Coefficient (MCC) を 用 い た 。 5-fold Cross 
Validation を適用し、算出される 5 つのスコアの
平均を予測器の精度とした。 
 
4.研究成果 
・ハイパーパラメータの検証結果 
SDNN-PPI で学習する際のエポック数、バッチ
サイズの組み合わせを決定した。本研究で使用し
た入力データは、ネガティブデータがポジティブ
データに対してデータ数が圧倒的に多い。ポジテ
ィブデータとネガティブデータの比率を 1:1 にし
てランダムに３通りで固定した。エポック数は
10, 20, 30, 40, 50 の５通り、バッチサイズは 16, 
32, 64 の３通りで検証した。固定したネガティブ
データはそれぞれ A, B, C とした。表 1 には構築
した予測器のモデル名と各モデルの学習精度を
示した。 
 
表 1. 予測精度の検証結果.太字は各指標の最大値を示
す。model_e10b16p1n1 の場合、エポック数 10、バッチ
サイズ 16、ポジティブデータとネガティブデータの比率
1:1 のモデルであることを示す。 
 
 
ネガティブデータ A, B, C をそれぞれ使用して
学習したモデルの各精度指標の平均値を取り、こ
れをそのハイパーパラメータ設定で学習を行っ
た 予 測 器 に お け る 精 度 と し て 記 し た 。
model_e40b16p1n1 で AUC が最大となり、他の
精度指標においても Specificity, Precision を除い
てこのモデルで最大となった。 
・ポジティブデータとネガティブデータの比率 
決定したハイパーパラメータ設定であるエポ
ック数 40、バッチサイズ 16 において、入力デー
タの比率を 1:1 から 1:5 までの 5 通りに変更して
精度の検証を行った。各比率についてそれぞれ 5
回試行した平均値をその比率での精度とし、表３
に記した。この時、データセットの比率の変更結
果を比較するためネガティブデータはランダム
に選ばれた。 
各精度指標において最大値を示した数が最も
多くなったのは model_e40b16p1n2 のモデルと
なった。これより本研究における最良のモデルは
model_e40b16p1n2 と決定した。 
・未知データを用いた相互作用ペア予測結果 
エポック数 40、バッチサイズ 16、入力データ
比率 1:2（ネガティブデータは毎回ランダムに抽
出）の条件で学習した５つのモデルを使用して相
互作用情報が未知の相互作用ペア予測を行った。 
5 つのモデル全てにおいて相互作用すると判断
されたペア数は 3,714 個であった。対して、各モ
デルにおいてのみ相互作用すると判断されたペ
ア数は 3,285 個、5,885 個、5,798 個であった。 
・GGIP、AE 手法の GGIP との比較 
使用した 5 つのモデルについて、集合の類似性
を示す指標である Jaccard 係数、Dice 係数、
Simpson 係数の３つの指標を計算し GGIP 改良
前および改良後 (福島によるAE手法)と比較を行
った。 
本手法は AUC については GGIP 改良前および
改良後を上回っていた。しかし、未知データに対
する予測結果は、GGIP 改良前、改良後のどちら
に対しても Jaccard 係数、Dice 係数、Simpson 係
数の３つの指標において本手法が低い結果とな
り、本手法の Jaccard 係数は 0.346、Dice 係数は
0.512、Simpson 係数は 0.654 であった。 
      Annual Report 
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総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
SDNN-PPI を用いた GPCR 間相互作用ペア予
測は最も優れた予測モデルにおいて AUC 値が
0.975 であり、本予測器は AE を用いた特徴量自
動生成による予測器の予測精度を上回った。しか
し、未知のデータに対する予測結果のばらつきは
従来手法より大きくなった。相互作用未知データ
の予測結果のばらつき改善については今後の課
題とする。 
なお、今回の結果から、タンパク質間相互作用
を予測する際、ネットワーク構造については水溶
性タンパク質と膜タンパク質とを区別する必要
は無い可能性が強く示唆された。 
 
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 2 件） 
① Wataru Nemoto, Akira Saito. "Interface 
prediction for GPCR oligomerization 
between transmembrane helices"
 "Methods in Molecular Biology 2021 
pp.99-110. 
② Wataru Nemoto, Yoshihiro Yamanishi, 
Vachiranee Limviphuvadh, Shunsuke 
Fujishiro, Sakie Shimamura, Aoi 
Fukushima, Hiroyuki Toh.A Web Server for 
GPCR-GPCR Interaction Pair Prediction. 
Frontiers in Endocrinology Molecular and 
Structural Endocrinology. 2022 
〔学会発表〕（計 7 件） 
① 根本 航. 産業応用微生物の多世代変異解析. 
日本生物物理学会生体分子ネットワーク探
究グループ研究会. 2021 年 12 月 4 日.千葉 
② 大浦 弘貴、林 映里、木村 優斗、野村 祐介、
中村 聡子、柏木 紀賢、荻野 千秋、廣瀬 修
一、根本 航. 放線菌多世代変異株におけるミ
スセンス変異の影響予測. 第 22 回日本蛋白
質科学会. 2022 年 6 月 8 日.名古屋 
③ 福島 碧唯、照瀬 裕章、島村 幸稀英、藤 博
幸、根本 航. 特徴量自動生成による GPCR 
間相互作用ペア予測器の精度改善. 第 22 回
日本蛋白質科学会. 2022 年 6 月 8 日.名古屋 
④ Hiroki Oura, Eri Hayashi, Yuto Kimura, 
Shuichi Hirose, Satoko Nakamura, 
Norimasa Kashiwagi, Chiaki Ogino, 
Wataru Nemoto. Identification of the genes 
and pathways responsible for PLA2 
production. 第 60回日本生物物理学会. 2022
年 9 月 29 日.函館 
⑤ Aoi Fukushima, Hiroaki Teruse, Sakie 
Shimamura, Hiroyuki Toh, Wataru 
Nemoto. Improvement of a method to 
predict interacting GPCR-GPCR pairs. 第
60 回日本生物物理学会. 2022 年 9 月 30 日.
函館 
⑥ 瀧島僚太、岡本樹希、津田くるみ、根本 航. 
ヒトδ-μオピオイド受容体ヘテロダイマー
結合リガンドの特徴解析. 第 12 回日本生物
物理学会関東支部会(東京農工大学). 2023 年
3 月 6 日.東京 
⑦ 齋藤 豪太、福島 碧唯、根本 航. 水溶性タン
パク質間相互作用ペア予測手法を用いた
GPCR 間相互作用ペアの予測. 第 12 回日本
生物物理学会関東支部会. 2023 年 3 月 6 日.
東京 
 
〔図書〕（計  1 件） 
① バイオインフォマティクス入門 第 2 版 初
版. 慶應義塾大学出版会 日本バイオインフ
ォマティクス学会 編. 2021 年 12 月 25 日.  


膜タンパク質間相互作用に影響を及ぼすスプライシングアイソフォームの予測

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