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

東京電機大学博士（工学）2020doctoral thesi

宮内, 弘太

ミヤウチ, コウタ

MIYAUCHI, Kota

 
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 甲第一五七 号 氏 名 宮内 弘太 
論文題目 機械学習を用いた交差点部における異常運転検知に関する研究 
 
近年、我が国では、高齢運転者による事故の発生や故意な危険運転が深刻な社会問題に
なっている。この問題に対し、自動ブレーキ搭載の義務化や自動運転の実現などがあるが、
前者は交差点部での作動は制御がしきれない点、後者は一般道路への導入には多くの課題
を有している点が挙げられる。したがって、交差点部に着目した新たな予防安全技術の開
発が必要である。交差点部において事故が発生する時は、異常運転（他の運転者が行う運
転と異なる場合や運転者の普段の運転と異なる場合）が発生しており、車両の走行挙動に
特異な特徴として表出すると考えられる。  
そこで本研究では、交差点部の走行挙動を用いた異常運転検知手法の構築を行った。二
つのアプローチから手法を構築した。一つは、運転者全体の走行挙動との乖離度合いから
異常度を定義する個人間異常運転検知（以下、個人間検知）、他方は、運転者の普段の走行
挙動との変動度合いから異常度を定義する個人内異常運転検知（以下、個人内検知）であ
る。本論文を通して、手法の構築および性能評価の検証を行った。本論文は 8 章構成とな
っている。 
第 1 章「序論」では、本研究の背景と目的、本論文の構成について述べた。 
第 2 章、「異常運転検知に関する既往研究と本研究の位置づけ」では、異常運転検知に関
する既往研究のレビューを通して、交差点部の走行挙動から異常運転検知を試みた研究は
未だないことを明らかにした。したがって、本研究の位置づけは、構築した手法の有効性
が検証できた場合は、新たな交通事故低減に寄与する枠組みであることを示した。 
第 3 章、「観測調査および分析用データ作成」では、先ず、交差点部の走行挙動の収集
を目的とした観測調査について述べた。高齢運転者を対象に、観測機器から走行挙動（車
両速度、3 軸成分の加速度、操舵角、位置情報を 0.1s 間隔で計測）を観測した。次に、機
器から出力されたデータだけでは、異常運転検知を行うことができないことを確認した上
で分析用データの作成を行った。交差点や道路情報を有するデジタル道路網マップと走行
挙動の結合を行うことで、車両の進行方向、車両の発進方法、走行場所の道路車線数の観
点から交差点部の走行挙動を 54 通りに分類できることを示した。 
第 4 章、「交差点部の走行挙動を用いた運転者の特定」では、複数人で一台の車を利用
している場合を想定して、交差点部の走行挙動から運転者を特定する手法の構築を行った。 
 
交差点部では、直進時および曲る時の走行挙動では、それぞれ異なる運転特性が得られる
と考え、3 章で分類した 54 通り全ての走行挙動を用いて運転者を特定した。時系列データ
から特徴を抽出することに秀でた、Long Short Term Memories を適用した運転者特定モデル
の作成を行った。既往研究の手法と特定精度を比較した結果、本研究で構築した手法が最
も高いことを明らかにした。さらに本研究では、特定結果の精緻化を図るために、一回の
運転で通過した交差点部の確信度の総和に着目して運転者の特定を行った。その結果、特
定結果の精緻化が可能であることを示した。 
第 5 章、「交差点部の走行挙動に機械学習を適用した異常運転検知手法の構築」では、
交差点部の走行挙動から異常運転を検知する手法の構築を行った。本研究では、既往研究
のレビュー通して、以下の観点から手法を構築した。先ず、個人間検知は、既往研究で行
われた手法の性能向上を目的とした手法である。そこで、観測データの距離と密度から異
常度を考えるために、正常・異常の境界線の操作性が良い、One Class Support Vector Machine
を適用した手法を構築した。一方で、個人内検知は、既往研究では行われていなかった観
点から異常運転検知を行うことを目的とした手法である。そこで、観測された走行挙動が
から普段の走行挙動との変動度合いを定量的に把握できる、Long Short Term Memories Auto 
Encoder を適用して手法を構築した。  
第 6 章、「事後検知による性能評価の検証」では、検知精度の検証を通じて、構築した
手法の性能評価を行った。検証は、交差点部に進入する時に運転の誤操作が発生した場合
（以下、進入時の誤操作）と曲る時に運転の誤操作が発生した場合（以下、曲る時の誤操
作）を想定したシナリオを設定した。検証の結果、個人間検知では、曲る時の誤操作の検
知は、検知精度が低下することが明らかになった。このことから、交差点部において異常
運転を検知する際は、個人間検知だけでは不十分であり、個人内検知も用いるべきことを
示した。また、既往研究の手法と検知精度を比較した結果、個人間検知および個人内検知
ともに、本研究で提案した手法が最も高いことを示した。  
第 7 章、「リアルタイム検知による性能評価の検証」では、検知タイミングの検証を通
じて、構築した手法の性能評価を行った。前章と同様のシナリオを設定し、交差点部に進
入してからどの地点で異常運転を検知しているのか検証した。進入時の誤操作の検知は、
個人間検知および個人内検知ともに、交差点部に進入した直後に検知できることを示した。
一方で、曲る時の誤操作の検知は、個人間検知および個人内検知ともに、交差道路に進入
する前に検知できることを示した。また、既往研究の手法と検知速度を比較した結果、個
人間検知および個人内検知ともに、本研究で提案した手法が最も早いことを示した。なお、
個人間検知と個人内検知のどちらが先に検知されるかを検証した結果、運転者によって異
なることが明らかになった。したがって、交差点部の走行挙動を用いた異常運転検知は、
本研究で構築した個人間検知および個人間検知の二つの手法で検知すべきことを示した。 
第 8 章「結論」では、本研究で得られた知見の総括と今後の課題について述べた。 


Research on detection of anomalous driving behavior at intersection using machine learning

小山内, 大

オサナイ, ダイ

OSANAI, dai

Introducing Cultural differences with gender differences and other useful social information in English Classes

西川, 正

大原, 憲

オオハラ, アキラ

村山, 大誠

ムラヤマ, タイセイ

森田, 拓海

モリタ, タクミ

      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 Q19K-01 
課題名（和文） 
デュアル EOM コム分光における SSB 変調器を用いた 25GHz モード間隔自動補間法の
開発 
課題名（英文） 
Development of automatic interpolation method of 25 GHz mode spacing in dual EOM 
comb spectroscopy by using SSB modulator. 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京電機大学工学部、電子システム工学科、教授 
氏名 西川 正 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京電機大学工学研究科、電気電子工学専攻 電子光情報コース、大学院生 
氏名 大原 憲 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京電機大学工学研究科、電気電子工学専攻 電子光情報コース、大学院生 
氏名 村山 大誠 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京電機大学工学研究科、電気電子工学専攻 電子光情報コース、大学院生 
氏名 森田 拓海 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
 環境ガス計測や呼気分析による健康診断に必要なリアルタイム分光計測装置を構築する為に、我々が開発
した１台のフリーランニング連続発振半導体レーザーと多段の電気光学変調器を用いたデュアルコム分光計
測システムの自動補間を、SSB 変調器を用いて行う手法の開発を行った。SSB 変調器をシードレーザーの波長
シフターとして用いる為の、搬送波と片側の側帯波を抑制する為の最適なバイアス条件を明らかにした。 
 
 
 
研究成果の概要（英文） 
In order to construct a real-time spectroscopic measurement device necessary for environmental gas 
measurement and health diagnosis by breath analysis, we have developed an automatic interpolation 
technique for our dual-comb spectroscopic measurement system with one free-running continuously wave 
semiconductor laser and multi-stage electro-optical modulator by using an SSB modulator. We could 
clarify the optimum bias conditions for suppressing the carrier wave and one side band wave for using the 
SSB modulator as a wavelength shifter for the seed laser. 
      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 
レーザーの位相同期を必要とせず専門家でなく
ても手軽に扱え、ロバストでフィールド環境でも
利用可能な、１台のフリーランニング連続発振半
導体レーザーと多段の電気光学変調器を用いた
電子機器と光ファイバー結合ベースの新たなデ
ュアルコムリアルタイム分光計測装置の開発を
我々は行ってきた。 
2.研究の目的 
しかしながら 25GHz の高繰返し周波数は広いス
ペクトル帯域や高速計測や高 SN 比を得るのには
有利であるが、光周波数コムの輝線スペクトル間
隔も 25 GHz と広くなるので、それより高い波長
分解能を必要とする計測ではスペクトル補間を
行う必要があり、従来の計測では HCNガスの吸収
線スペクトルを測定するのに、シードレーザーの
周波数を 250 MHzずつシフトさせながら測定した
100 個のスペクトルを手動で重ねる事で補間を行
う必要があり、手間と時間を要し、デュアルコム
分光法の高速性の特長を実際には活かせず、リア
ルタイム分光に繋げられていなかった。そこで、
1 回の計測で補間が完了する自動補間法を開発す
る事が本研究の目的である。 
3.研究の方法 
図１に本手法の実験系の構成図を示す。デュア
ルコム計測で得られるダウンコンバートスペク
トルの中心波長はシードレーザー波長にはよら
ず AOM 周波数で決まる。そこで、シードレーザ
ー光の波長を SSB 変調器により変調器駆動 RF
周波数に応じて定量的に正確にシフトさせる事
で、AOM 周波数とシードレーザーの波長を正確
に同期してスキャンさせながらデーター取得を
行う事で、１回の計測で自動的に補間が行われ
たデュアルコム分光スペクトルの測定が可能と
なる。 
 
 
 
 
 
 
 
4.研究成果 
(1) SSB 変調器のバイアス条件の最適化 
通常の強度変調器は周波数の前後に二つの側帯
波が生成される為にレーザー光の周波数シフト
に用いる事が出来ない。本研究で用いる SSB 変調
器は二つのサブマッハツェンダー導波路がメイ
ンマッハツェンダー導波路の各アームに並列に
配置された構造を持ち、それぞれに印加するバイ
アス電圧を適切に調整する事で入力光及び片側
の側帯波を干渉を利用して抑制することが可能
となり、光周波数シフターとして用いる事が出来
る。本研究では最適なバイアス電圧条件について
調べた。図２にその実験系を示す。 
 
 
 
 
 
 
 
 
図３はバイアスを印加していない時の SSB 変
調器からの出力光のスペクトルを示す。入力光の
両側に側帯波が発生している。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図４は変調周波数 2 GHz の時に、片方の側帯波
のみが出力されるようにバイアス電圧を Va = 
0V、Vb = 0V、Vc = 5V に調整を行った結果であ
る。バイアス電圧の調整により入力光スペクトル
図１ 自動補間実験系の構成図 
図３ バイアス印加無し 
図２ SSB 変調器特性の測定系 
      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                     
 
及び片側の側帯波が抑制出来ている事が分かる。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
一方図５は変調周波数を 27 GHz にした時のバ
イアス電圧を調整した結果である。適切なバイア
ス電圧は Va = 0V、Vb = 0V、Vc = 9V であった。
このように、適切なバイアス電圧は変調周波数に
依存する為に、シードレーザー周波数のシフト量
に合わせてバイアス電圧の調整が必要となる事
が判った。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(1) 12.5 GHz 固定発振器を用いたデュアルコム計
測系の構築 
図１の実験系に示すように、SSB 変調器を用い
た 25 GHz モード間隔自動補間を行う為には、デ
ュアルコム生成用電気光学変調器を駆動する 2 台
の Signal Generator の他に、新たに SSB 変調器
の変調周波数をスキャンさせる為の Waveform 
Generator が必要となる。 しかしながら研究室に
は周波数可変なシンセサイザーが２台しかない
為に、図６に示したようにコムの生成に用いてい
る Signal Generator の内の 1 台を、12.5 GHz の
固定発振器からの信号を逓倍器を用いて２倍の
25 GHz に変換し、25 GHz 狭線幅フィルターを通
して変換されなかった 12.5 GHz の信号を除去す
る事で得られる 25 GHz の信号源に置き換えた実
験を行った。図７にこの新たな実験系でアセチレ
ンガスの吸収線の測定を行ったデュアルコム計
測スペクトルを示す。赤線が計測値で、緑線は
HITRAN データーベースからの値であり、データ
ーベースと良く一致したアセチレンガス吸収線
スペクトルの計測に成功した。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
今後は、図６の実験系に SSB 変調器を組み入れ
て自動補間系の構築を行い、デュアル EOM コム
を用いた実用的なリアルタイム分光装置を完成
させ、様々なリアルタイム分光計測に活かす事を
目指す。 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 1 件） 
① 大原憲、宇田祥平、石澤淳、日達研一、Picque 
Nathalie、Haensch Theodor、西川正、「デュ
アル EOM コム分光の自動補間法によるアセ
チレン吸収線スペクトル測定」、第 80 回応用
物理学会秋季学術講演会、2019 年 9 月 19 日、
北海道札幌市、19p-E205-7。 
図４ 2 GHz 変調時 
図５ 27 GHz 変調時 
図７ アセチレンの吸収線スペクトル 
図６ 12.5 GHz 発振器を用いた実験系 


Development of automatic interpolation method of 25 GHz mode spacing in dual EOM comb spectroscopy by using SSB modulator.

上山, 裕理

古谷, 涼秋

フルタニ, リョウシュウ

      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 Q20D-01 
課題名（和文） 故障予知に向けた，軸振れ検出可能な角度検出器の開発 
課題名（英文） Development of a rotary encoder designed to detect the spindle runout quantitatively 
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・機械システム工学専攻・博士課程 
氏名 上山 裕理 
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・教授 
氏名 古谷 涼秋 
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） 
 
自己校正型ロータリーエンコーダ SelfA(Self-Calibratable Angle Device)を用いて，検出した角度誤差から回
転軸の軸振れ量を分離する原理を検証した．この原理を検証するために，軸振れ量の制御と測定を同時にでき
る実験装置を製作した．原理検証の結果，発生した軸振れ量を±10nm 以下で検出できることを確認した． 
 
 
 
研究成果の概要（英文） 
 
Using SelfA (Self-Calibratable Angle Device) with a highly angular accuracy of which the principle was 
based on the EDA (Equal-Division-Averaged) method, it was confirmed how to separate the spindle runout 
error from the detected angle error. In order to confirm the separating method, the experiment system 
which could control the amount of the spindle runout and measure it, was developed. As a result, it was 
confirmed that the spindle runout within 10 nm could be detected. 
 
 
      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 
 工作機械といった回転機械の故障要因の一つとして，軸
受けの故障があげられる．軸受けの故障時には，回転軸に
対して垂直な方向に並進運動をなす軸振れが発生する．こ
の軸振れ量は，一般的に，0.1～50[㎛]といわれており，
この量が軸受けの許容量を超えると機械の故障につなが
る．そのため，軸振れ量の定期的な検査は，その機械や装
置の安全性や寿命管理，故障予知の点で重要である．従来，
軸振れ量を測定する機器として，レーザ変位計や渦電流セ
ンサなどが使用されている．しかし，これらの測定器を機
械や装置に組み込み使用することは，装置の小型化や軽量
化の実現を阻害し，実用的でない．これらの問題を解決す
るために，自己校正により高精度な角度検出能力をもつロ
ータリーエンコーダ(SelfA)が出力する角度信号を解析す
ることで得られた角度誤差から，軸振れを分離する原理が
開発された．しかし，この軸振れ分離の方法は，定量的な
評価がなされていなかった． 
 
2.研究の目的 
 回転軸の軸振れは動的な変化であり，自然に発生する軸
振れを測定した場合，その測定結果の検証が困難である．
そのため，回転軸に制御した軸振れを発生させる装置を製
作する必要がある．この装置を使って，与えた軸振れ量（既
知）と測定した軸振れ量を比較し，軸振れ分離方法により
軸振れが検出できることを検証する． 
 
3.研究の方法 
図１に製作した軸振れ発生機構を示す．XYピエゾステ
ージにより，任意の方向に軸振れを発生させることができ
る．実験では，目盛総数 18000 本，目盛線１ステップの
間隔20µmのSelfAエンコーダによって，回転速度6rpm
の超低速状態における軸振れ量（図２）を検出できるかの
比較検証を行った． 
4.研究成果 
 図２の軸振れ量を10回測定し，XYピエゾステージが発
生した軸振れ量と SelfA+が検出した軸振れ量は，±10nm
以下で一致した． 
 したがって，SelfA+による軸振れ検出の原理は，±10nm
以下で実験結果と一致することが検証された． 
 
 
5.主な発表論文等 
〔雑誌論文〕（計 1 件） 
① Y. Ueyama, R. Furutani and T.Watanabe: A 
super-high-accuracy angular index table, 
Measurement Science and Technology, Vol.31, 
No.094006 (2020)、査読あり 
〔学会発表〕（計1 件） 
① Y.Ueyama, R.Furutani and T.Watanabe:Development 
of the principle for the angle measurement using 
the two-track scale, Proc. Euspen 2020, 
pp.519-520,2020、査読あり 
 
 
図２ XYピエゾステージにより発生した軸振れ 
 
図 1 軸振れ発生機構 


Development of a rotary encoder designed to detect the spindle runout quantitatively

高橋, 信博

タカハシ, ノブヒロ

TAKAHASHI, Nobuhiro

学位論文審査の結果の要旨
報告番号 先端科学技術甲第156号 氏 名 高橋 信博 
論文題目 電動式熱源機の長期運用実態に基づく経年変化評価方法に関する研究 
論文審査委員会 
委員（主査） 教授  百田 真史 
委員（副査） 教授  積田 洋 
委員（副査） 教授  秋田 剛 
委員（副査） 准教授 西川 雅弥 
委員（副査） 教授  赤司 泰義 
 研究の背景 
業務用建物の消費エネルギーの 3 分の 1 を占める熱源機器について、その効率を維持す
るための保全の重要性は非常に高い。建築設備全般の保全計画では、劣化と保全の関係性
を理論的に表わしたモデルを基本とすることが多いが、BEMS(Building & Energy 
Management System)のデータ収集や分析の技術的な進歩にもかかわらず、劣化回復と保全
の関係性を実運用データで示された例は非常に少ない。そのような中、ターボ冷凍機のチ
ューブの汚れによる効率低下やメーカの理論値による効率の劣化を分析した研究例はある
が、長期に渡る効率変化の推移について研究された事例は無い。これは、熱源機器効率の
評価が難しい事が起因し、効率の劣化度合いを表す手法が未整備であることが要因である。 
研究の目的 
長期に渡る効率変化の詳細な推移について研究された事例は無く、まずはそれを可能と
するための基盤を整備することを目的として、本論文では、効率の劣化度合いを表す指標
(KPI)の提案を主眼とした。 
研究の内容 
提案する KPIの算出手順について、まず BEMSデータのクレンジングを行った後、各熱源
機器の運転モード毎に運転重回帰分析を行う。それにより導出された重回帰式に各時刻の
運用状態を入力することで得られる値を「予測 COP」と定義した。その予測 COP と実際の
COPと比較することで得られた値を「COP変化率」と定義し、これを KPIとした。なお、説
明変数については、負荷率、冷温水出口温度、冷却水温度（ターボ冷凍機）もしくは外気
温度（空冷 HP）とその二乗項、交差項となる事が分かった。なお、これら熱源機器および
その運転モード毎での説明変数の採否については、メーカや運転モード等であらかじめ絞
り込む事は出来ないという結果も得られている。 
次に、この KPI により分析対象とした熱源機器の全数を分析した結果を示した。ターボ
冷凍機および空冷 HPの COP変化率は概ね±10％の範囲に収まっており、分析対象とした範
囲内においては熱源機器の運転時間経過に伴う明確な劣化傾向は認められない結果を得て
おり、この結果は既往研究等で今まで示された例が無く、新たな知見と言える。 
さらに、提案した KPI にてメンテナンスによる効率の変化を評価可能であるか試みた。
計 257 件のメンテナンス記録(ブラシ・薬品洗浄、分解整備)と照合した結果、メンテナン
ス前後で約 2/3 は効率向上が見られ、評価の可能性を示した。一方で、残り 1/3 は効率低
下が見られた。実際に低下した事例も考えられるが、COP 変化率の算出方法や基準の設定
による可能性もあり、今後のさらなるデータの蓄積と分析が必要であるとしている。 
以上までの成果は、 
［1］ 高橋信博・百田真史・射場本忠彦・井上隆・熊谷雅彦・高瀬幸造・佐々木泰河, 電
動式熱源機の長期運用実態に基づく経年変化に関する研究, 空気調和・衛生工学会 
論文集№286, No1921（2021年 1月） 
としてまとめられている。 
また、KPI の普及を念頭に、簡易版評価ツールの開発を行っている。設定等の懸念点、
検討事項は残っているものの、劣化度合いの傾向については概ね重回帰分析によって算出
する手法（詳細版）と比較して、COP変化率の挙動は一致する事が確認され、今後、KPI の
普及やデータの蓄積に役立てるためのツールとしての有効性を示している。 
以上、本論文において著者が検討して得た結論に記された事柄は、実運用下における熱
源機の劣化度合いを評価することが可能となった点、および実情を明らかにすることが出
来た点から極めて有用であると判断できることから、本論文の価値は工学的、工業的な観
点からも十分に評価できる。よって、本論文は博士（工学）の学位論文として十分な価値
を有するものと認められる。 


Study on Evaluation Method of Electric Heat source Aging based on Long-term Operation Record

川﨑, 瑞穂

カワサキ, ミズホ

KAWASAKI, Mizuho

Sonority of Tengu’s Dances in Daidai Kagura ―A Structural Analysis of Musical Accompaniments and Repertoires―

筒井, 裕文

      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 Q20E-03 
課題名（和文） 都市下水処理場放流水中の薬剤耐性腸内細菌科細菌が保持するプラスミドの特徴づけ 
課題名（英文） 
Characterization of plasmids isolated from carbapenem-resistant Enterobacteriaceae 
in wastewater treatment plants in Japan 
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 助教 
氏名 筒井 裕文 
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） 
荒川流域の都市下水処理場より採取した下水試料から釣菌した 55 株について，薬剤耐性に関する特性と保
持するプラスミドの特徴を調査した．釣菌した 55 株のうち，カルバペネム耐性腸内細菌科細菌(CRE)が 22 株
検出された．またカルバペネマーゼ産生株は 30 株，うち 16 株はメタロ β ラクタマーゼ産生であった．また，
34 株で 10 kb 以上のプラスミドが確認され，泳動パターンも複数認められた．このことから，市中では比較
的多様な CRE およびカルバペネマーゼ産生腸内細菌科細菌(CPE)が存在していることが示唆された． 
 
研究成果の概要（英文） 
Characteristics of antimicrobial resistant and plasmid profiles were investigated about 55 strains 
isolated from WWTP located at ARAKAWA river basin. Total 22 strains were determined as carbapenem-
resistant Enterobacteriaceae (CRE), and 30 strains produced carbapenemase (16 strains produced 
metallo-β-lactamase). In addition, over 5 electrophoresis patterns with large(> 10kb) size plasmid were 
observed. From these results, various CRE and carbapenemase-producing Enterobacteriaceae (CPE) with 
transmissible plasmid would exist in cities of ARAKAWA river basin. 
 
      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 
抗菌薬は感染症治療において必要不可欠な医
薬品であり，それら抗菌薬への耐性を獲得した薬
剤耐性菌の出現と拡がりは世界的に非常に大き
な問題となっている．2019 年には国連から「NO 
TIME TO WAIT」というタイトルで薬剤耐性菌へ
の対策が勧告され，2050 年までに薬剤耐性菌によ
る死者数が年間 1,000 万人にのぼると試算されお
り，日本でも厚生労働省を中心にヒト，動物，環
境の垣根を超えた包括的な対策（one health 
approach）というコンセプトのもと，臨床，基礎，
環境など多様な領域で薬剤耐性菌に関する調査
が進められている．一方で環境中における薬剤耐
性菌のひろがりについては十分な調査がなされ
ていないのが現状である． 
 
2.研究の目的 
本研究では，世界的に大きな問題となりつつあ
るカルバペネム耐性腸内細菌化細菌（CRE）に着
目する．CRE は抗菌薬の切り札と呼ばれるカルバ
ペネム系薬剤に耐性を示すことから治療が困難
となり，致死率が高いという臨床的な問題が大き
いほか，現在世界的に耐性が拡がっており，その
経路を明らかにすることが重要である．また，下
水処理場には地域の住民の排せつ物が集められ
るため，その地域における薬剤耐性菌の存在状況
を網羅的に調べることが可能であり，感染症を引
き起こした患者のみを調査できる臨床現場より
も薬剤耐性菌の現状や拡散経路を調べるうえで
適しているといえる．そこで，下水処理場から放
出される処理水中に存在する CRE の宿主とプラ
スミドの関係を明らかにすることで，市中におけ
る CRE の存在状況を把握するとともに，近い将
来の流行を予測することを目的とした． 
 
3.研究の方法 
(1) 下水試料からの CRE 検出方法の検討 
荒川流域の都市下水処理場から採取した最初
沈殿池流入水を試料として，メロペネム(MPM)を
0.125 μg/mL となるように添加した Chromagar 
ECC 培地および Chromagar mSuperCarba 培地
を用いて CRE の検出を試み，適切な検出方法を
調査した． 
(2) 下水試料から検出された CRE の特徴づけ 
荒川流域の都市下水処理場から採取した下水
試料からmSuperCarba培地を用いて検出した55
個のコロニーを釣菌し，単独菌株であることを画
線培養で確認したのち，非腸内細菌の検出を TSI 
test により，薬剤耐性プロファイルを KB disk を
用いたディスク拡散法により，そしてカルバペネ
ム系薬剤の分解酵素であるカルバペネマーゼ産
生能を m-CIM test により，その中でもメタロ β
ラクタマーゼ産生能を e-CIM test により，カルバ
ペネマーゼ産生遺伝子の検出をシカジーニアス® 
カルバペネマーゼ遺伝子型検出キット 2 (関東化
学)により調査した．なお，薬剤耐性の有無の判定
は CLSI M100Ed31 に準じて実施した．さらに釣
菌株の保持するプラスミドの抽出粗液を電気泳
動に供することで大まかなプラスミドのサイズ
を調査した． 
 
4.研究成果 
(1) 下水試料からの CRE 検出方法の検討 
 培地上に生育したコロニー数を比較したとこ
ろ，同じ試料量に対して mSuperCarba 培地を用
いた場合は 2.2~5.1 倍程度の細菌が検出された．
また，MPM 添加 ECC 培地上に生育したコロニ
ーはサイズが小さく，生育状況が悪いことが示唆
された．よって，一般的な腸内細菌科細菌との閾
値である Ecological cutoff 値を用いた場合でも濃
度が高かった可能性が示されたため，以降の検討
では mSuperCarba 培地を用いることとした． 
(2) 下水試料から検出された CRE の特徴づけ 
 下水試料から釣菌された 55 株を TSI test に供
したところ，いずれも糖発酵が認められたことか
ら，釣菌株は非腸内細菌での誤検出例の多い
Aeromonas hydrophila や Stenotrophomonas 
maltophilia である可能性は低いといえた．ディ
      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                     
 
スク拡散法で薬剤耐性を調査したところ，全ての
株が何らかのカルバペネム系薬剤に中度以上の
耐性を示した．また，国内の CRE の定義に一致
する性状を示した株が 22 株(40%)認められた．ま
た，非 CRE を含む計 30 株がカルバペネマーゼ産
生であり，そのうち 16 株がメタロ β ラクタマー
ゼ産生であった．また，主にカルバペネマーゼ産
生遺伝子として KPC 型，GES 型が検出された． 
55 株から抽出したプラスミドを調査したとこ
ろ，34 株で 10 kb 以上のサイズのプラスミドを保
持していることが確認され，また電気泳動のパタ
ーンも少なくとも 5 パターン以上の多岐にわたる
ことが示された．カルバペネマーゼ産生遺伝子は
染色体上に存在する場合とプラスミドに存在す
る場合が報告されており，今回検出された株につ
いて産生遺伝子の存在場所を明らかにすること
で水平伝播のリスク評価が可能であると考えら
れる． 
 以上の結果から，荒川流域の地域において多様
なカルバペネム耐性腸内細菌科細菌が存在する
可能性が示唆され，さらに水平伝播の可能性のあ
るプラスミドも検出された．このことから，継続
した調査とともに，検出された耐性株の具体的な
耐性機構の調査，さらには臨床現場で検出されて
いる耐性株との関連性についてより詳細に調査
を進める必要性が認められた． 
 
5.主な発表論文等 
〔雑誌論文〕（計 0 件） 
〔学会発表〕（計 0 件） 
〔図書〕（計 0 件） 


Characterization of plasmids isolated from carbapenem-resistant Enterobacteriaceae in wastewater treatment plants in Japan

石井, 聡

名嘉, 節

楠田, 浩樹

クスダ, ヒロキ

鈴木, 慧

スズキ, サトル

      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 Q19K-02 
課題名（和文） Fe ドープ ZnAl2O4ナノ粒子の水熱合成と Fe3d 軌道の解明 
課題名（英文） Fe 3d orbitals of the hydrothermally synthesized Fe-doped ZnAl2O4 nanoparticles 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部，理学系，助教 A 
氏名 石井 聡 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
物質・材料研究機構，機能材料研究拠点，微粒子工学グループ，主席研究員 
氏名 名嘉 節 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学研究科，理学専攻，修士 
氏名 楠田 浩樹 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学研究科，理学専攻，修士 
氏名 鈴木 慧 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
 ZnAl2O4と ZnGa2O4ナノ粒子にFeドープを試みた結果，マイクロ波照射を利用した水熱法によりZnGa2O4
に Fe をドープできた．ZnGa2O4 のフォトルミネッセンスでは，Fe による蛍光は観測されず自己発光中心に
よる発光も消滅した．Fe3d 軌道のエネルギー状態は結晶構造の対称性に対して依存性が低いことが示唆され
た．一方，150 ℃以下，3 分以下の低温・短時間で ZnGa2O4ナノ粒子の合成に成功し，前駆体水溶液の pH に
依存してエネルギーギャップが変化することを確認できた． 
 
研究成果の概要（英文） 
Iron doping into ZnAl2O4 and ZnGa2O4 nanoparticles were carried out. Fe-doped ZnGa2O4 nanoparticles 
was synthesized by microwave-assisted hydrothermal technique. The fluorescence from Fe was not 
confirmed and the emission from the self-activated center disappeared on the photoluminescence spectrum 
of Fe-doped ZnGa2O4 nanoparticles. It was implied that the energy state of Fe3d orbital did not depend on 
the symmetry of crystal structure. The synthesis temperature and time of ZnGa2O4 nanoparticles were 
lower than 150 °C and shorter than 3 min, respectively. The energy gap was confirmed to depend on the 
pH of precursor solutions for ZnGa2O4 nanoparticles. 
 
      Annual Report 
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1.研究開始当初の背景 
金属酸化物 ZnAl2O4（以下，ZAO）は，スピネ
ル型の結晶構造を有し機械的強度，耐熱性，化学
的・熱的安定性に優れ，疎水性や量子効率も高い
ことから電気，光学，顔料，誘電体などの幅広い
応用が期待されている．特にエネルギーギャップ
（Eg）が 3.8 eV と大きいことから，既に希土類元
素（Eu，Tb，Dy，Er，Yb）に加えて磁性元素（Cr，
Mn，Ni）をドープした ZAO で紫外励起による蛍
光が観測されている．一方で，同じ磁性元素の Fe
をドープした ZAO では蛍光に関する報告は少な
い．その原因として ZAO 内で Fe は３価の Fe3+
に変化し，蛍光の起源である 3d 軌道と呼ばれる
原子軌道（エネルギー準位）間の遷移が禁制にな
ることがあげられる．これに対して，Fe を取り囲
む結晶構造の対称性を崩すことで禁制遷移から
許容遷移に変化させ蛍光を得ることが期待でき
た．医療現場では Fe3+を含む酸化物の Fe3O4粒子
に交流磁場を印加すると発熱することを利用し
て，周囲のがん細胞を死滅させるがん温熱療法が
行われている．そこで，標的細胞に Fe ドープ ZAO
が行き届いたことを蛍光で確認し発熱させるこ
とで，より高精度ながん温熱療法の実現が期待で
きる． 
 
2.研究の目的 
本研究では ZAOにFeをドープしたナノ粒子を
水熱合成し，結晶構造の対称性に対する Fe3d 軌
道の依存性について蛍光特性を利用して調査す
ることを目的とした．加えて，同じく Egが 4.6 eV
と大きいもののまだ研究が進んでいない
ZnGa2O4（以下，ZGO）のナノ粒子においても同
様の調査を行うこととした． 
 
3.研究の方法 
はじめに ZAO ナノ粒子の合成では，それぞれ
硝酸亜鉛，硝酸アルミニウム及び硝酸鉄の水和物
と水酸化ナトリウムとの混合水溶液を用意した．
続いて，これら３種類の混合水溶液を混合したも
のに硝酸を添加し，pH 調整することで前駆体水
溶液を作製した．最後にステンレス製の圧力容器
に前駆体水溶液を封入し，オートクレーブを利用
して 200 ℃で 10 時間加熱した．最後に生成物の
純水洗浄と遠心分離を 3 回繰り返した後，80℃で
真空乾燥させてナノ粒子を抽出した． 
 一方 ZGO ナノ粒子は，硫酸亜鉛，硫酸ガリウ
ム，及び硫酸鉄の水和物を原料に使用し，ZAO と
同様の方法で水酸化ナトリウムとの混合水溶液
を経て前駆体水溶液を作製した．ただし ZGO の
場合，PFA の圧力容器に充填した前駆体水溶液に
対して市販の電子レンジでマイクロ波を照射し
容器内部の水溶液を直接加熱することでナノ粒
子を水熱合成した．また，合成後のナノ粒子は
ZAO と同様の手順で抽出した． 
 合成後のナノ粒子の構造特性はＸ線回折で評
価した．光学吸収特性は紫外可視分光法（UV-Vis）
により，また，蛍光による発光特性はフォトルミ
ネッセンス（PL）により評価した． 
 
4.研究成果 
はじめにFeドープ ZAO ナノ粒子の合成を試み
たが，Fe のドープを確認することができなかっ
た．原因として前駆体水溶液中の Fe，Al，及び Zn
の水酸化物について，溶解度を同時にうまく調整
できなかったことがあげられる．そこで，残りの
研究期間と今後の研究の発展性を踏まえ，ZAO と
比較してエネルギーギャップが大きく紫外励起
による強い蛍光が期待できるとして近年注目を
集めている ZGO に母材量を変更して計画を進め
た． 
Fe をドープする前にノンドープ ZGO ナノ粒子
の合成に着手した．本実験では圧力容器ごと加熱
する通常の水熱法とは異なり，前駆体水溶液をマ
イクロ波照射で直接加熱することで低温・短時間
での水熱合成を行った．非平衡状態で粒成長を止
めることで Fe 原子が結晶構造内に取り込まれ易
くなり，かつ結晶構造が非対称になることを期待
した．図１には前駆体水溶液の pH ごとに試料の
      Annual Report 
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XRD を示した．ナノ粒子特有のブロードなピーク
が現れ，回折パターンからスピネル型構造をした
ZGO ナノ粒子の形成を確認できた．一般的な焼結
法などの場合，1000 ℃近い高温で数時間以上保
持して合成させるのに対して，本研究では 150 ℃
以下の低温で 3 分以下の短時間で酸化物のナノ粒
子を合成出来た．また，pH を高くするとピークの
線幅は狭くなり不純物として ZnO 相が析出する
ことも分かった． 
pH による ZGO の構造変化を詳しく評価する
ため，XRD の(440）ピークを用いて格子定数と結
晶子サイズを解析した結果を図２に示した．pH
の増加とともに格子定数と結晶子サイズが大き
くなることが分かった． 
 図３（ａ）には ZGO ナノ粒子の UV-Vis を拡散
反射法で測定し，クベルカ－ミュンク変換した吸
収係数を pH ごとに参照試料と合わせて示した．
ZGO ナノ粒子の光学吸収端は，焼結合成 ZGO や
Ga2O3とは異なるうえ pH に依存して変化した．
そこで，図３（ｂ）に示したように光学吸収端か
ら求めた Egを pH に対してプロットした．pH を
低減させると Egは焼結合成 ZGO よりも 0.15 eV
以上増加し，4.8 eV 程度になることが明らかとな
った． 
 紫外励起による蛍光体の母材量としての基礎
特性を評価するため，250 nm の励起光に対する
発光特性を評価した．図４（ａ）に PL 強度の波
長依存性を示したように，水熱合成した ZGO ナ
ノ粒子は焼結合成試料より発光強度が低かった．
また，焼結合成した ZGO のメインピークが 8 面
体サイトの Ga3+と O2－間の電荷移動に由来する
のに対して，水熱合成した ZGO ナノ粒子のメイ
ンピークは酸素欠損に由来するものであった．ま
た，図４（ｂ）に示した PL スペクトルからは，
In
te
ns
ity
 (a
. u
.)
80706050403020
2θ / θ (deg.)
 
44
0
53
151
1
42
2
40
0
22
23
11
22
0
図１ ZGO の XRD．参照用として焼結合成試料と
Ga2O3の結果も合わせて示した． 
(a) 8.36
8.35
8.34
8.33
8.32
La
tti
ce
 c
on
st
an
t (
Å)
98765
pH7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
C
ry
st
al
lit
e 
si
ze
 (n
m
)
98765
pH
 
(b) 
図２ ZGO における(a) 格子定数及び(b) 結晶子サ
イズの pH 依存性． 
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
F(
R
∞
)
320280240
Wavelength (nm)
7.3
7.0
6.3
β-Ga2O3
4.8
4.7
4.6
4.5
4.4
E
g (
eV
)
7.57.06.56.05.55.0
pH
(a) 
(b) 
図３ ZGO における(a) 光学吸収の波長依存性と(b) エネ
ルギーギャップの pH 依存性． 
      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                     
 
pH の低減による発光強度の増大を確認した． 
 pH の低減による発光強度の増大について，原
因を構造特性と光学特性の両方から総合的に考
察するために，図５に示したように PL から求め
た内部量子効率と光学吸収端から求めた Eg を結
晶子サイズに対して一緒にプロットした．する
と，結晶子サイズが減少すると内部量子効率とエ
ネルギーギャップが共に大きくなっていた．バル
クの ZGO では励起子のボーア半径が 2.72 nm で
あり，図５の変化はこれより小さな結晶子サイズ
の領域で起きていた．したがって，pH の低減で結
晶子サイズがボーア半径程度に小さくなること
で，量子サイズ効果により PL 強度が増大した可
能性がある．pH と結晶子サイズの相関に関して
はメカニズムを調査中であるが，Zn もしくは Ga
水酸化物の溶解度が低下して粒成長速度を遅く
していることが原因の一つとして考えられる． 
 最後に ZGO ナノ粒子に対して Fe ドープを試
みた結果，図６に示すように Fe による発光はな
く全ての PL スペクトルが消失した．ZGO ナノ粒
子は構造対称性が低いため（図１），Fe の蛍光が
観測されるはずである．これらの結果は，Fe3d 軌
道間の遷移が構造対称性に対して依存性が低い
だけでなく，Fe が他の発光中心を失活させること
を示唆しており，今後はそのメカニズムの解明が
必要である． 
本研究では蛍光を示す磁性ナノ粒子の開発に
おいて，Fe がドーパントとして不向きであること
を示唆する結果を得た．一方，マイクロ波を利用
して水熱合成した ZGO ナノ粒子において，前駆
体水溶液の pH 調整を用いた Eg の制御に向けて
有用な知見が得られた． 
 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 ２件） 
① 石井聡，鈴木慧，守屋佑希久，中根茂行，安
食博志，名嘉節，“ZnGa2O4 のマイクロ波水
熱合成とその特徴”第 81 回応用物理学会秋
季学術講演会，9 月 9 日 2020 年，オンライ
ン． 
② 守屋佑希久，鈴木慧，中根茂行，名嘉節，石
井聡，“Ti ドープ ZnGa2O4のマイクロ波水熱
合成と評価”第 68 回応用物理学会春季学術
講演会，3 月 18 日 2021 年，オンライン． 
〔新聞発表〕（計 １件） 
① “ZGO 合成低温・短時間で”，化学工業日報，
10 月 4 日 2019 年 
PL
 In
te
ns
ity
 (a
. u
.)
600550500450400350
Wavelength (nm)
  
(a) 
(b) 
図４ (a) 水熱合成及び焼結合成した ZGO ナノ粒子と
Ga2O3の PL スペクトル．(b) PL スペクトルの pH 依存性． 
PL
 In
te
ns
ity
 (a
. u
.)
600550500450400350
Wavelength (nm)
 
  
10
8
6
4
2
0
In
te
rn
al
 q
ua
nt
um
 e
ffi
ci
en
cy
 (%
)
5432
Crystallite size (nm)
4.8
4.7
4.6
4.5
4.4
E
g  (eV)
図５ 内部量子効率とエネルギーギャップの結晶子
サイズ依存性． 
PL
 In
te
is
ity
 (a
. u
.)
600550500450400350
Wavelength (nm)
  
 
図６ノンドープ及び Fe ドープ ZGO ナノ粒子の
PL スペクトル． 


Fe 3d orbitals of the hydrothermally synthesized Fe-doped ZnAl2O4 nanoparticles

山岸, 航平

大西, 謙吾

オオニシ, ケンゴ

      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 Q20D-08 
課題名（和文） 結晶成長モデルを用いた群ロボットの適応的自己組織化 
課題名（英文） Adaptive Self-Organization for Swarm Robot using Crystal Growth Model 
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 情報通信メディア工学専攻 博士課程 
氏名 山岸 航平 
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） 
  本研究は，群の体現に応じて多数の小規模タスクや少数の中・大規模タスクを遂行可能な群ロボットシステ
ムのための，環境に散らばったロボット群から規則的な配列の集団を構築する自己組織化の開発を目指す．こ
の目的を達成するために，無秩序な状態から複雑な有形を構築する結晶成長に着目し，この過程を計算する結
晶成長モデルを応用した新しい自己組織化モデルを提案した．この評価として，計算機によるシミュレーショ
ンと，試作した局所通信システムを用いた実機実験を通じて，実ロボットにも導入できることを確認した． 
 
 
研究成果の概要（英文） 
Swarm robotics perform many small-scale and some middle- to large-scale tasks by changing a swam 
embodiment. This study aims to develop self-organization that constructs a regularly arranged group from 
scattered robots. To achieve this objective, we focused on crystal growth that creates complex shapes from 
a disordered state and proposed a self-organizing method based on this process. The proposed method is 
confirmed by numerical simulation. Moreover, the implementation of the algorithm on real robots is 
verified using a prototype local communication system. 
 
      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 
倉庫などの広域な作業環境において複数のロ
ボットを導入したマルチロボットシステムの実
用化が近年進められている．このような事例はロ
ボット単体の能力に依存した並列搬送を想定し
ているため，搬送可能な大きさや形状，重さはロ
ボットの機体性能に依存する．この課題に対し，
多数の低知能・低コストのロボットを制御する群
ロボットシステムは，“群れ”の表現によって，単
独能力で解決できる小規模タスクや，集団能力で
解決できる大規模タスクを担うことができる．群
ロボットシステムに体現する単独能力と集団能
力を結びつけるためには，タスクに適した集団の
規模，形状，構造を構築する自己組織化が必要で
ある． 
 
2.研究の目的 
研究背景より，タスクに適した規模，形状，構
造を形成する自己組織化手法の開発を目的とす
る．これを実現するために，ロボットが散らばっ
た状態から規則的に集まった状態を構成するプ
ロセスとして，結晶成長に着目する．結晶成長は
気体や液体のように個々に動く状態から雪の結
晶のように複雑ながらも規則的な形状を組織す
る．この結晶成長を表現するモデルベースの群ロ
ボットシステムの自己組織化手法を提案する． 
 
3.研究の方法 
主たる制御モデルとして，局所的な情報に基づ
いて分散制御可能なフェーズフィールド法とセ
ルオートマトンの 2 つの結晶成長モデルを導入し
た手法を提案した．提案手法はフェーズフィール
ド法の凝固確率表現を用いた探索行動と組織形
成行動の遷移と，セルオートマトンを用いたロボ
ット間の通信量と設計難度を考慮した非同期な
組織形成ルールで構成される．本研究では設計し
たルールに応じて集団形状に対して次の方法を
研究する． 
(1) 実際の結晶成長過程である，吸着成長，二次
元核成長，渦巻成長に基づくルールの開発 
(2) 上記の成長方策に非対称性を導入し，異形状
を形成するためのルールの改善 
(3) 同期的な集団拡張を提供するルールの開発 
また，実世界のロボットに導入するための局所
通信システムを開発し，次の項目について検討す
る．  
(4) 低分解能なフェーズフィールドによる情報
伝達の実用可能性 
 
4.研究成果 
ルール設計に関する成果について報告する． 
(1) 実成長方策：吸着/二次元核/渦巻成長の再現 
 設計した各成長方策に基づくルールの効果に
ついて説明する．吸着成長は吸着可能な平面上に
ランダムにロボットを付着させる．二次元核成長
と渦巻成長は新たな層が角に形成されると，その
層を広げるようにロボットを付着させる．前者は
全方位に広げるのに対し，後者は渦を巻くように
一方向に拡張を進める．このように作用するルー
ルを設計した．これらの自己組織化結果を図 1 に
示す．いずれも中央の赤いロボットから全方位へ
組織形成することができたが，理想的な成長によ
って形成される大きな六角形(図中破線)を構築す
ることができなかった．この主な要因は探索時に
発見されやすい角部分の成長が優先されてしま
ったためである． 
 
(a) 吸着成長  (b) 二次元核成長  (c) 渦巻成
長 
図 1 実結晶成長を再現したルールによる自己組
織化 
 
(2) 非対称性による異形状組織形成 
 上述のルールは全方位に成長する対称性を有
する．これを非対称にする，つまり，一方向のみ
      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                     
 
に成長する組織形成を設計した．これにより，六
角形を分解した三角形を構築できるようになる．
この結果を図 2 に示す．この中でも渦巻成長は，
理想的な成長過程の再現に成功した．この要因
は，角と角の間を充填した場合，その間に新しい
層を構成するという方策が機能したためである． 
 
(a) 吸着成長  (b) 二次元核成長  (c) 渦巻成
長 
図 2 非対称性を有する自己組織化 
 
(3) 異格子構造に対応する同期的集団拡張の開
発 
 (2)の知見から，同期的な成長方法と他の格子構
造への適用について研究した．これまでの結果よ
り，渦巻成長は一辺に及ぶ同期性を有する．この
同期性が形成される形状の辺の数に対して機能
する同期的集団拡張ルールを開発した．この手法
によって，図 3 のように二次元平面を充填可能な
格子数 3，4，6 のハニカム格子，正方格子，六方
格子それぞれについて基本形状を同期的に自己
組織する手法の開発に成功した． 
 
(a)ハニカム格子   (b) 正方格子    (c) 六方格
子 
図 3 各格子構造に対する同期的集団拡張 
 
続いて，本手法の実現可能性を検証するための
通信システムに関する成果を報告する． 
(4) 通信機の開発と低分解能情報伝達の影響 
 開発した通信機を図 4 に示す．本手法は物理的
に隣接するロボットと情報を交換する必要があ
る．そのため，直接観測できる他通信機と通信で
きる高指向性赤外線 LED と受光素子は外周部に
60deg 間隔で配置されており，LED の光量設計に
より最大 80cm 程度の通信が可能である．各受光
素子の信号強度から局所的位置関係を認識する
こともできる． 
 この通信機は赤外線リモコンの通信方式と似
た 32kHz の搬送波に 1 シンボル 20ms の 8bit デ
ィジタル信号を乗せる通信方式を採用した．本手
法のセルオートマトンに必要な情報は，4bit で十
分に表現できる．一方でフェーズフィールド法は
小数を表現する 32bit 程度の情報量が必要であ
る．そこで，この情報が 8bit の低分解能な条件で
も更新されることを理論値と比較して検証した．
この結果を図 5 に示す．結果として，理論値の関
数形状に近似してその実測値が得られたため，低
コストな通信機器でも実現できる手法であるこ
とが示唆された． 
 
図 4 開発した通信機(破線部は送受信素子のペア) 
 
図 5 低分解能な通信による本手法の再現性 
 
 これらの研究成果から，ロボット個々に仕事す
る状態と規則的な集団で仕事する状態の 2 状態を
結ぶ自己組織化を開発できた．今後は，複雑な集
団形状の形成と体現された集団や個の協調制御
を目指す． 
 
5.主な発表論文等 
      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                     
 
〔学会発表〕（計 2 件） 
① 山岸航平，鈴木剛，“結晶成長モデルを用いた
群ロボットの適応的自己組織化，”SI2020，
2020/12/18，オンライン開催 
② Kohei Yamagishi and Tsuyoshi Suzuki, 
“Adaptive Self-Organization for Swarm 
Robot Applied to Crystal Growth: Effect of 
the Ruleset for Asynchronous Cellular 
Automata on Self-Organization,” 
SWARM2021, 2021/6/1-4, オンライン開催 


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