ROSE - Ibaraki University Academic Repository

池庄司, 規江

IKESHOJI, NORIE

Japanese

Minority's Perceptions and Understanding of Regions: Fostering Leaders of Sustainable Societies through Geography Education

中島, 光一

Nakashima, Kouichi

茨城大学・応用理工学野・准教授
科学研究費助成事業　　研究成果報告書
様　式　Ｃ－１９、Ｆ－１９－１、Ｚ－１９ （共通）
機関番号：
研究種目：
課題番号：
研究課題名（和文）
研究代表者
研究課題名（英文）
交付決定額（研究期間全体）：（直接経費）
１２１０１
基盤研究(C)（一般）
2024～2022
SrTiO3ナノキューブ粒子を用いた水分解光触媒の創製と粒子表面の原子配列制御
Synthesis and atomic arrangement of SrTiO3 nanocube with photocatalytic water 
splitting
７０４２０４１１研究者番号：
中島　光一（Nakashima, Kouichi）
研究期間：
２２Ｋ０５２６５
年 月 日現在  ７   ６ ２９
円     3,200,000
研究成果の概要（和文）：ペロブスカイト型構造を有するSrTiO3は水熱法を用いて合成を行った。酸化チタン
（アナターゼ型、粒径：25nm未満）と水酸化ストロンチウム八水和物を原料として水熱合成を行うと、SrTiO3ナ
ノクリスタルを得ることができた。球面収差法制付き走査透過型電子顕微鏡を用いてSrTiO3ナノクリスタルの粒
子表面を観察した結果、水熱合成条件によって粒子表面の原子配列が異なることが示唆された。原料である酸化
チタン（アナターゼ型、粒径：25nm未満）と水酸化ストロンチウム八水和物の割合を変えて水熱合成を行った結
果、本研究が目的としているSrTiO3ナノキューブを創り出すことができた。
研究成果の概要（英文）：Strontium titanate was synthesized using hydrothermal method. Titanium oxide
 and strontium hydroxide octahydrate were used as raw materials. X-ray diffraction pattern was 
assigned to SrTiO3. Electron microscopy observation revealed formation of SrTiO3 nanocrystal. 
synthesis of SrTiO3 was carried out withe various conditions. As a result, SrTiO3 nanocube was 
obtained in this study.
研究分野： セラミックス
キーワード： チタン酸ストロンチウム　水分解光触媒　ナノキューブ　ペロブスカイト型酸化物
  １版
令和
研究成果の学術的意義や社会的意義
現代社会に欠かすことができない機能性セラミックス材料は、粒子表面の結晶構造が物性発現に大きく影響する
ため、粒子表面の原子配列の制御が重要となる。また、粒子の形態（形状や大きさ）も機能発現に密接に関係し
ている。水素エネルギーは発電技術や燃料電池自動車などへの利用に直結し、石油エネルギー（化石燃料）に代
わる再生可能エネルギーとして現在社会のエネルギー問題「温室効果ガス（二酸化炭素）を排出しないクリーン
エネルギーの創出」の解決に結びつく。そこで本研究では、水素製造の性能に直結する水分解光触媒粒子の材料
設計に取り組み、太陽光を利用した水素エネルギー社会の実現を目指す。
※科研費による研究は、研究者の自覚と責任において実施するものです。そのため、研究の実施や研究成果の公表等に
ついては、国の要請等に基づくものではなく、その研究成果に関する見解や責任は、研究者個人に帰属します。
様 式 Ｃ－１９、Ｆ－１９－１（共通） 
 
 
１．研究開始当初の背景 
世界のエネルギーは、石油（化石燃料）に依存しており、この石油（化石燃料）は有限の資源
のため、将来的に枯渇すると言われている。また、現代社会に欠かすことができない触媒、光触
媒、誘電体、蛍光体などの機能性セラミックス材料は、粒子表面の結晶構造（最表面にある原子
の種類や格子欠陥など）が物性発現に大きく影響するため、粒子表面の原子配列の制御が重要と
なる。また、粒子の形態（形状や大きさ）も機能発現に密接に関係している。本研究で取り組む
水分解光触媒は水から水素を取り出す水素製造の技術開発である。水素エネルギーは発電技術
や燃料電池自動車などへの利用に直結し、石油エネルギー（化石燃料）に代わる再生可能エネル
ギーとして現在社会のエネルギー問題「温室効果ガス（二酸化炭素）を排出しないクリーンエネ
ルギーの創出」の解決に結びつく。そこで本研究では、水素製造の性能に直結する水分解光触媒
粒子の材料設計に取り組み、太陽光を利用した水素エネルギー社会の実現を目指す。 
 
 
２．研究の目的 
水分解光触媒粒子に光を照射し、水を水素と酸素に分解するときに、水分解光触媒粒子の表面
が活性点になっていると言われているが、水素と酸素が生成する機構は未解明である。そこで本
研究では、水分解光触媒としての性能を有するチタン酸ストロンチウム（SrTiO3）のナノキュー
ブを合成し、この粒子表面の微構造解析を実施し、高効率水分解光触媒の材料設計につながる指
針を得ることに焦点をあてた。水分解光触媒について、水素生成の性能向上に起因する母体結晶
と助触媒の関係「母体結晶の結晶面と水素生成との関係」、「母体結晶の粒子最表面の原子配列」、
「母体結晶と助触媒の結合様式など」は未だよくわかっていない。そこで、水分解光触媒として
の性質を有する SrTiO3を対象として、結晶面が露出したチタン SrTiO3の微粒子化、物性発現に
起因する SrTiO3 の結晶面の特定、この結晶面に人工的に助触媒を担持することができれば、飛
躍的な光触媒性能の向上が期待できる。また、SrTiO3の粒子最表面を構成している元素を特定す
ることができれば、水素生成を可能にしている活性点が明らかになる。さらに、SrTiO3以外の光
触媒粒子にも応用可能な知見を得ることができ、波及効果が極めて高い。そこで本研究では、高
効率な水分解光触媒の粒子設計として、結晶面（ファセット）が露出した SrTiO3 ナノキューブ
を合成し、その粒子表面の原子配列制御を目的として研究を実施した。 
 
３．研究の方法 
本研究では、ナノレベルの大きさを有する立方体の単結晶粒子であるナノキューブを合成す
るために、原子レベルから粒子を構築することができる溶液反応を用いた。とくに粒子の大きさ
や形状を制御する必要があるため、高温高圧下で合成ができる水熱法を用いて SrTiO3 ナノキュ
ーブの合成に取り組んだ。水熱法で粒子形態の制御を行う場合、原料の種類や大きさが重要なフ
ァクターとなる。例えば、本研究では SrTiO3 ナノキューブを合成するので、チタンの原料とし
て酸化チタンを用いたが、酸化チタンはアナターゼ型やルチル型などさまざまな多形がある。ま
た、微粒子から大きな粒子までさまざまな粒径の酸化チタンある。このようにさまざまな原料の
種類がある中、本研究では粒径が 25nm 未満でアナターゼ型の酸化チタンを原料として用いた。
SrTiO3ナノキューブの合成は溶解析出反応によりナノキューブ粒子が形成されるため、溶解しや
すいように微粒子の酸化チタンを原料として使用した。また、ストロンチウムの原料は水酸化ス
トロンチウム八水和物を用いた。これらの原料と溶媒である水を用いて、水熱合成を行った。そ
して、副生成物の除去のために水熱合成後の生成物の酢酸処理を行って SrTiO3 ナノキューブを
得た。なお、得られた生成物のキャラクタリゼーションは、X 線回折や電子顕微鏡観察などを用
いて行った。 
 
４．研究成果 
 ペロブスカイト型構造を有する SrTiO3 は水熱法を用いて合成を行った。酸化チタン（アナタ
ーゼ型、粒径：25nm 未満）と水酸化ストロンチウム八水和物を原料として水熱合成を行うと、
目的物質である SrTiO3が生成することを X 線回折パターンから確認した。この SrTiO3の粒子形
態を電子顕微鏡で観察した結果、結晶面（ファセット）が露出したナノクリスタルが得られてい
ることを確認した。この結晶面（ファセット）が水分解光触媒性能に大きな影響を与えると考え、
SrTiO3ナノクリスタルの粒子表面の微構造解析を実施した。球面収差法制付き走査透過型電子顕
微鏡を用いて SrTiO3 ナノクリスタルの粒子表面を観察した結果、水熱合成条件によって粒子表
面の原子配列が異なることが示唆された。粒子表面の原子配列が異なるということは、水分解光
触媒の性能に影響を与える可能性がある。 
さらに、SrTiO3のナノキューブ化について、合成条件の最適条件の探索を行った。本研究では、
角と稜（エッジ）がシャープな SrTiO3 ナノキューブを創り出すためには、原料の濃度が影響を
与えると考えた。そこで、原料である酸化チタン（アナターゼ型、粒径：25nm未満）と水酸化ス
トロンチウム[Sr(OH)2]の割合を変えて水熱合成を行った（図 1）。ナノレベルの大きさで粒子の 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
形状を制御する場合、核生成と結晶成長を考えながら合成する必要がある。小さな粒子を均一な
粒径で合成する場合、核の量が多くなるように合成するように工夫する。図 1(a)のように 10mmol
の TiO2と 20mm の Sr(OH)2を原料とすると 50nm 以下の粒径の SrTiO3ナノクリスタルを合成する
ことができる。この SrTiO3ナノクリスタルをナノキューブ化するために、原料の量（濃度）を変
えて合成を行った。原料の量（濃度）を変えることにより、核生成や結晶成長に影響を及ぼすと
考えた。また、原料の溶解度も生成する粒子の大きさや形状に影響を与えると考えた。図 1[(b)
～(f)]のようにさまざまな条件で合成を行った結果、さまざまな粒子の大きさや形状の生成物
を得ることができたが、明らかに粒子の形状は結晶面（ファセット）が露出したナノキューブ化
が進んだことがわかる。これは原料である TiO2と Sr(OH)2の割合と溶媒に対する量（濃度）が粒
子形態に影響を与えたと考えている。以上より、本研究では目的としている SrTiO3 ナノキュー
ブを創り出すことができた。 
 今後の展望として、本研究で創り出した SrTiO3 ナノキューブの粒子表面の原子配列を明らか
にすることが高効率水分解光触媒を作製する上で重要になる。水を分解して水素と酸素を生成
させるためには、光を照射した際の電子と正孔の挙動が大変重要になる。そして、この電子と正
孔は粒子表面で水素と酸素を生成することになるので、最表面を形成している粒子の種類が水
分解光触媒としての性能を直結する。そのため、球面収差補正付き電子顕微鏡を用いて SrTiO3
ナノキューブの粒子表面の原子カラム（原子配列）を観察し、さらに元素分析を行うことで SrTiO3
ナノキューブの粒子表面の微細構造を明らかにすることができる。 
(a) (b) 
(c) (d) 
(e) (f) 
図 1 水熱法を用いた SrTiO3のナノキューブ化 
温度：200℃、時間：10h、溶媒：40mL 水 
TiO2 (a)10mmol、(b)10mmol、(c)10mmol、(d)2.5mmol、(e)1.25mmol、(f)1.25mmol 
Sr(OH)2 (a)20mmol、(b)7.5mmol、(c)5mmol、(d)5mmol、(e)5mmol、(f)2.5mmol 
 
500nm 500nm 
500nm 500nm 
500nm 500nm 
５．主な発表論文等
〔雑誌論文〕　計0件
〔学会発表〕　計2件（うち招待講演　0件／うち国際学会　0件）
2023年
2023年
〔図書〕　計0件
〔産業財産権〕
〔その他〕
－
６．研究組織
７．科研費を使用して開催した国際研究集会
〔国際研究集会〕　計0件
８．本研究に関連して実施した国際共同研究の実施状況
氏名
（ローマ字氏名）
（研究者番号）
備考
所属研究機関・部局・職
（機関番号）
共同研究相手国 相手方研究機関
 ３．学会等名
日本セラミックス協会 第36回秋季シンポジウム
無機マテリアル学会 第147回 学術講演会
 ４．発表年
 ４．発表年
BaTiO3-SrTiO3コア-シェルナノキューブの作製
BaTiO3-CaTiO3コア-シェルナノキューブの作製
 ２．発表標題
 ２．発表標題
 １．発表者名
 １．発表者名
中島光一、高濱光
中島光一、吉田樹雄
 ３．学会等名


Synthesis and atomic arrangement of SrTiO3 nanocube with photocatalytic water splitting

山本, 一幸

YAMAMOTO, Kazuyuki

茨城大学・情報戦略機構・准教授
科学研究費助成事業　　研究成果報告書
様　式　Ｃ－１９、Ｆ－１９－１、Ｚ－１９ （共通）
機関番号：
研究種目：
課題番号：
研究課題名（和文）
研究代表者
研究課題名（英文）
交付決定額（研究期間全体）：（直接経費）
１２１０１
基盤研究(C)（一般）
2024～2022
習熟度推定モデルに基づくデジタル人材育成支援システムの開発
Development of a Digital Human Resource Training Support System Based on a 
Proficiency Estimation Model
６０８２６２８８研究者番号：
山本　一幸（YAMAMOTO, Kazuyuki）
研究期間：
２２Ｋ１２３０９
年 月 日現在  ７   ６ ２５
円     3,200,000
研究成果の概要（和文）：情報リテラシーの習熟度を推定するための学習支援システムの開発を行った。学習成
果の習熟度を推定するために、組織に特化したデータを学習データとする機械学習によるテキストマイニングを
行い、特徴量を抽出する手法を開発した。組織に特化したデータとして、メールによる問合せデータを用いた。
これらのデータから習熟度を推定するモデルを生成するには、データのノイズがモデルの精度に大きく影響を与
えることを明らかにした。問合せデータからノイズを適切に処理する手法と問合せデータをテキストマイニング
とクラスタリングにより習熟度推定のための特徴量を抽出する手法を開発した。
研究成果の概要（英文）：We developed a learning support system for estimating proficiency in 
information literacy. To estimate the proficiency level of learning outcomes, we developed a method 
to extract features by machine learning text mining using organization-specific data as training 
data. The training data for machine learning was organization-specific email query data. To generate
 a model to estimate proficiency from these data, we found that noise in the data has a significant 
impact on the accuracy of the model. We developed a method to appropriately process noise from the 
query data and a method to extract features for proficiency estimation by text mining and clustering
 of the query data.
研究分野： 学習支援システム
キーワード： 機械学習　テキストマイニング　情報リテラシー　学習支援システム
  ２版
令和
研究成果の学術的意義や社会的意義
これまで一般的に学習の習熟度は、期末試験やレポートなどによって測られることが一般であった。しかし、期
末試験やレポートでは、実際にその後の学習活動等に結びついているか測ることができなかった。また、情報関
連の知識は、生成AIなどの普及により学習範囲が急激に変化しており、すぐに学習した知識や知識を測定するた
めの試験や課題が陳腐化してくる可能性が大きくなっていた。本研究で開発した学習習熟度の推定手法は、間接
的な問合せデータを利用し、特徴量を抽出することで習熟度を推定している。DXや生成AIなどによりデータ駆動
型社会での実用的な習熟度の推定方法を初めて開発したことは、学術的な意義が大いにあると考える。
※科研費による研究は、研究者の自覚と責任において実施するものです。そのため、研究の実施や研究成果の公表等に
ついては、国の要請等に基づくものではなく、その研究成果に関する見解や責任は、研究者個人に帰属します。
様 式 Ｃ－１９、Ｆ－１９－１（共通） 
 
 
１．研究開始当初の背景 
Society5.0 やデータ駆動型社会を世界に先駆けて実現するために、社会における新しい価値・
サービスの創出に向けた技術基盤の強化、人材育成の必要性が第 5期科学技術計画（平成 28 年
1 月 22 日閣議決定）において示されている。このような社会を実現するためには、数理・デー
タサイエンスの専門的な人材の育成だけでなく、人文社会科学、自然科学などの幅広い知識が必
要となる。そのため文系・理系を問わずすべての学生が情報リテラシーの素養(情報、法的、デ
ータ)を身につける必要がある。本研究の実施者は、所属する情報系センターの業務として大学
ICT 機器の利用者からの問合せへの対応や問合せデータの分析を行っている。また、講義として
情報リテラシー科目や AI・データサイエンスの入門科目を担当している。その中で、講義での
レポート等の評価と利用者としての問合せの内容にギャップがあることを発見した。端的な例
として、情報リテラシー科目で適切なメール文面について学修したあとでも、情報系センターへ
の電子メールでの問合せでは、チャットや SNS での投稿のような形式・文面で送られてくる場合
がある。この様な講義での評価と実際の行動のギャップから、実際の習熟度と定着度は実環境で
収集したデータから分析する必要があり、また、リアルタイムに学生が必要とする課題について、
学習者の実際の行動から客観的に示した習熟度・理解度から明らかにする必要があると考えた。
そこで、実際の利用者からの情報リテラシーに関する問合せからテキストマイニングを用いて
習熟度を推定するモデルの開発が必要であるとの着想に至った。この様に、学習者の実際の行動
から習熟度、定着度を定量化するモデルは、データ駆動型社会への人材輩出の学習支援に役立つ
と考えられる。 
 
 
２．研究の目的 
 データ駆動型社会では、求められる情報に関する知識やスキルが急激に変化しており、それに
伴い学習範囲も急激に変化している。これらの急激な変化を考慮し、学生の情報リテラシー素養
を数値化するための数理モデルを開発することが目的である。数理モデルを開発する上で解決
すべき課題は、 
(1) 時系列文書データの数値化、分類 
(2) 文書データからの特徴量抽出 
(3) 特徴量からの習熟度の推定 
であると考える。 
また、モデルから推定された習熟度・理解度と経験に基づくデータの比較検証を進め、モデル
の精度を検証することも目的となる。 
 
 
３．研究の方法 
(1)習熟度推定モデルの構築 
データセットの検証：学習データとして使用する時系列問合せデータを複数タイプのノイズ
除去方法を使ってデータセットを作成する。ひとつの問合せを１つの文書ベクトルに変換し、そ
れらの文書ベクトルの集まりをデータセットとする。作成されたデータセットをモデル空間定
義しモデル空間の検証を実施する。このとき、文書データのベクトル化方法として、Word2Vec と
SCDV を使用する。 
問合せのカテゴリ化手法の開発と評価：作成したデータセットを用いてデータセットに含ま
れる各問合せをクラスタリング分析し、カテゴリ分けを行う。各クラスターに他のカテゴリの文
書がどの程度含まれているかを検証する。 
特徴量の抽出手法の開発：各カテゴリを特徴付ける特徴量を抽出する手法を開発する。特徴量
抽出のために、各文書ベクトル（問合せごと）の単語の重要度を TF-IDF を拡張した方法を使っ
て抽出し、各カテゴリの特徴量を決定する。 
 
(2)モデルに基づく学習支援システムの構築 
(1)の習熟度推定モデルをコアとした学習支援システムをウェブアプレットとして構築する。
習熟度推定の結果を年度ごとに検証可能なインターフェースを開発する。また、学習範囲の急速
な変化による習熟度の変化を可視化できるインターフェースへ拡張性を持つように構築する。 
 
 
４．研究成果 
(1) データクリーニングモデルの開発 
習熟度推定のモデル開発を行うためにデータノイズを除去した学習データを生成する機械学
習を用いたクリーニングモデルを開発した。一般に機械学習で使われている学習データでは、メ
ールデータ内の要・不要データを分類することができないため、本モデルに最適化した学習デー
タを作成した。作成した学習データを使ってクリーニングモデルを作成し、情報リテラシー学習
の習熟度推定モデル作成のためのデータセットをデータノイズの定義方法の違いにより複数作
成した。情報リテラシー習熟度推定モデルを開発するためには、これらのデータセットを使って
モデル空間について評価することが必要となる。 
 
(2) 問合せデータのカテゴリ分け 
問合せデータのカテゴリ分け手法の開発および、カテゴリごとの特徴量の抽出手法を開発し
た。データのカテゴリ分けには、経験的にメールの文面は、内容ごとにブロックになっているこ
とが多いことが分かっている。ブロックごとに文書ベクトルを作成し、文書ベクトルをクラスタ
リングする手法を開発した。特徴量の抽出は、クラスタライズされたデータから各々のブロック
データ内の単語の重要度を TF-IDF により数値化し特徴量を抽出する手法を開発した。 
 
(3) 電子メール件名から本文内容のカテゴライズ 
(2)で開発した特徴量抽出の手法を電子メールの件名からそのメールの本文の内容をカテゴラ
イズする手法を開発した。従来手法では、電子メール本文をテキストマイニング等で分析、クラ
スタリングすることで、その電子メールに書かれている内容を判別する必要があった。本研究の
手法を組み合わせることにより、電子メールの件名から本文の内容を判別し、カテゴライズする
手法を開発し実際のデータで検証を行い提案手法が有効であることを証明した。 
 
(4) 学習習熟度の推定方法の開発 
本研究課題で開発した問合せデータのカテゴリ分け、特徴量の抽出、問合せデータを特徴づけ
る単語抽出の手法を用いて学習習熟度を推定する機械学習モデルの開発を行った。これらのモ
デルで推定し分析した結果を学内外の利用者へ公開するために BI ツールを用いて可視化し、可
視化フォーマットを提供できるインターフェースも開発した。 
 
５．主な発表論文等
〔雑誌論文〕　計1件（うち査読付論文　1件／うち国際共著　0件／うちオープンアクセス　1件）
2024年
〔学会発表〕　計0件
〔図書〕　計0件
〔産業財産権〕
〔その他〕
－
６．研究組織
７．科研費を使用して開催した国際研究集会
〔国際研究集会〕　計0件
８．本研究に関連して実施した国際共同研究の実施状況
共同研究相手国 相手方研究機関
 ３．雑誌名  ６．最初と最後の頁
有
氏名
（ローマ字氏名）
（研究者番号）
備考
所属研究機関・部局・職
（機関番号）
問合わせメールの件名を用いた分類
 オープンアクセス  国際共著
オープンアクセスとしている（また、その予定である） －
学術情報処理研究 192～199
 掲載論文のDOI（デジタルオブジェクト識別子）  査読の有無
10.24669/jacn.28.1_192
 ４．巻
川又 泰介、山本 一幸、大瀧 保広 28
 １．著者名
 ２．論文標題  ５．発行年


Development of a Digital Human Resource Training Support System Based on a Proficiency Estimation Model

矢木, 啓介

Yagi, Keisuke

茨城大学・応用理工学野・講師
科学研究費助成事業　　研究成果報告書
様　式　Ｃ－１９、Ｆ－１９－１、Ｚ－１９ （共通）
機関番号：
研究種目：
課題番号：
研究課題名（和文）
研究代表者
研究課題名（英文）
交付決定額（研究期間全体）：（直接経費）
１２１０１
若手研究
2024～2023
下肢関節インピーダンス特性に基づく人の歩行ダイナミクス制御則の解析
Analysis of the gait dynamics control law based on the lower limb impedance
９０８０２７１０研究者番号：
矢木　啓介（Yagi, Keisuke）
研究期間：
２３Ｋ１３２８４
年 月 日現在  ７   ６ ２４
円     3,600,000
研究成果の概要（和文）：本研究では，歩行フェーズに応じて調節される下肢関節の動的な柔らかさを関節イン
ピーダンスで定量評価する基盤技術を確立させた．座位での基礎実験より，足・膝関節ともに筋活動に応じたイ
ンピーダンス変化を確認でき，特に足関節では，背側の下腿三頭筋よりも前脛骨筋の影響を強く受けることが確
認された．歩行条件では，関節インピーダンスの要素である剛性・粘性係数が歩行フェーズの中でピークを示す
タイミングがそれぞれ異なっており，フェーズに応じた性質の異なる抵抗トルクの使い分けを示唆する定量デー
タを得た．
研究成果の概要（英文）：In this study, we developed a wearable system to estimate the lower limb 
joint impedance modulated depending on the gait cycle. The experiments were conducted to verify the 
proposed system and reveal the pattern of the time-varying lower limb joint impedance. In the seated
 condition, we confirmed that the lower limb joint impedance changed in response to muscle activity,
 and the ankle joint, in particular, was strongly influenced by the activation of the tibialis 
anterior compared with the triceps surae. In the walking condition, the stiffness and viscosity 
exhibited a peak at different timing in the walking phase, which suggested that different property 
of joint resistance torque was utilized to manage the physical interaction with the surrounding 
environment.
研究分野： ロボティクス
キーワード： 関節インピーダンス推定　歩行　ウェアラブルデバイス　逐次推定　システム同定
  ２版
令和
研究成果の学術的意義や社会的意義
本研究では，力と運動を規定するパラメータである下肢関節インピーダンスを随意歩行運動の中で推定する基盤
技術を確立させた．本研究の成果は，歩行のフェーズや環境に応じて変化する関節インピーダンス制御則を解明
する学術課題の開拓や，社会的需要の強い歩行支援機器開発に対して関節インピーダンスをフィードバックする
新たな人機械協調の制御手段を提供する実践的な意義を有する．
※科研費による研究は、研究者の自覚と責任において実施するものです。そのため、研究の実施や研究成果の公表等に
ついては、国の要請等に基づくものではなく、その研究成果に関する見解や責任は、研究者個人に帰属します。
様 式 Ｃ－１９、Ｆ－１９－１（共通） 
 
１．研究開始当初の背景 
人とロボットが協調する社会を見据え, 柔らかさを持つロボットの研究が盛んに進められて
いる. 従来の産業用途での人との協働に加えて, 人に着用して動作支援を行う, 人と共に過ごす
など, ロボットに課されるタスクはより人に身近なシーンを舞台に多様化している. いまや, 単
に柔軟であるというだけでなく, フィジカル空間で身体の柔らかさがもたらす特性を適切に理
解し, それを使いこなすことが求められる. ハードウェア技術の面では, 機能性材料なども導入
した革新的な可変剛性デバイスが続々と開発されている. しかし, 柔らかさがもたらすダイナ
ミクスの協調性を, 人と物理的に関わるタスクの中で真に活かすためのソフトウェア技術の議
論が追いついていない. 
人の多種多様な運動の中で, 歩行は最も基本とされる日常動作の 1 つである. 超高齢化社会に
おける健康維持の観点からも歩くことは強く推奨されており, ロボット工学の知見や技術を活
用したアシストやリハビリテーションに大きな期待が寄せられている. 歩行は本質的に外環境
（床）との物理的接触を伴う運動タスクである. 人は冗長な自由度を持つ身体を巧みに制御し, 
目に見える動きだけでなく, 状況に応じて関節の柔らかさも動的に調節することで, 外環境と
の複雑な力学的相互作用を含む歩行運動を実現している. この関節の動的な柔らかさは, 力と
運動の間のダイナミクスを規定する役割を持つ. すなわち, フェーズに応じて調節される人の
関節の動的な柔らかさは, 歩行のダイナミクスを記述し, 環境との相互作用の制御論を確立す
るための本質的なパラメータである. 歩行時の身体と環境の力学的相互作用をシステム論的に
解析するために, 歩行中の関節の動的な柔らかさを定量的に測る基盤技術の確立が求められる. 
 
２．研究の目的 
 本研究では, 歩行フェーズに応じて調節される下肢関節の動的な柔らかさを関節インピーダ
ンスの意味で定量評価する基盤技術の確立を目的とする．歩行時の身体の運動と環境との相互
作用で生じるダイナミクスの制御方策に関する力学的な知見を得ることをねらいとする． 
 
３．研究の方法 
（１）ウェアラブル関節インピーダンス推定システムの開発 
関節インピーダンスを推定するためには, 対象関節に対して外部から摂動を入力し, その応
答を見る必要がある. したがって, 摂動を入力するためのウェアラブルデバイスが必要となる. 
本研究では，短下肢装具および長下肢装具に着想を得て，各関節の継ぎ手部に高分解能エンコー
ダ付きサーボモータを取り付けたウェアラブルデバイスを製作する（図 1）．随意歩行運動を阻
害しないようにするため，サーボモータは低減速比（1:9）のものを用いる．力センサを用いて，
サーボモータへのトルク指令信号から実トルクまでの伝達関数をあらかじめ同定しておき，こ
の伝達関数で与えられるトルク値を関節インピーダンス推定アルゴリズムで利用する．デバイ
ス自体の動特性が人関節インピーダンス推定結果に影響するため，これもあらかじめ同定して
おく． 
 
図 1 製作したウェアラブルデバイスのシステム構成. 
 
  
図 2 エンコーダデータの周波数成分に関する予備実験結果 
 
（２）歩行運動に対応したインピーダンス推定法の検討 
歩行フェーズに応じた関節インピーダンスの変化パターンを連続的にとらえるために，本研
究では同定入力信号に二値信号を用いる．エンコーダで取得される関節角度の応答データは，随
意運動成分と摂動入力への応答成分が混在している．本研究では，歩行時の随意運動成分のパワ
ーが低周波帯（～12 Hz）に集中していることに注目する．随意運動成分をハイパスフィルタに
よって減衰させ，摂動への応答成分を抽出する（図 2）． 
 
（３）歩行中の下肢関節インピーダンス推定実験 
 筋神経系に疾患歴の無い健常な実験参加者を募り，歩行中の各種データ計測と下肢関節イン
ピーダンスを推定する実験を行う．本研究で開発したデバイスを右脚に装着し，さらに各関節の
運動に関わる筋群（前脛骨筋，腓腹筋，ヒラメ筋，半腱様筋，外側広筋，内側広筋）の皮膚表面
にＥＭＧセンサを貼る．実験で記録するデータは，ウェアラブルデバイスの摂動トルク指令信号
と，各関節の角度変位，各筋のＥＭＧ信号である．実験条件として，まず，座位姿勢で各筋を脱
力した場合を基準としてデータ計測を行う．次に，引き続き座位姿勢において，屈曲筋群を優位
に活動させた場合と，伸展筋群を活動させた場合を，活動強度を変えながらデータ計測を行う．
最後に，トレッドミル歩行時のデータ計測を行う． 
 
４．研究成果 
 歩行中のフェーズに応じた下肢関節インピーダンスのパターン変化を推定するデバイスを開
発し，実験参加者を募ってデータ収集を行った．座位での基礎実験より，足・膝関節ともに筋活
動に応じたインピーダンス変化を確認でき，特に足関節では，背側の下腿三頭筋よりも前脛骨筋
の影響を強く受けることが確認された（図 3）．歩行条件では，関節インピーダンスの要素であ
る剛性・粘性係数が歩行フェーズの中でピークを示すタイミングがそれぞれ異なっており，フェ
ーズに応じた性質の異なる抵抗トルクの使い分けを示唆する定量データを得た（図 4）．  
本研究の関節インピーダンス推定システムの独自性として，摂動トルクへの各関節応答をハ
イパスフィルタによって抽出する点が挙げられる．この抽出方法は，データ計測中にもオンライ
ンで実装することができ，したがって本研究で開発したシステムは，逐次インピーダンス推定技
術へと拡張できる．この点について，本研究で実際に推定アルゴリズムの逐次化を行い，歩行時
の足関節インピーダンスのオンライン推定を実現した．商用のマイコン（Raspberry pi）を用い
て実際の生活環境へ持ち出せるシステムとして実装し，従来のトレッドミル歩行のみならず，
床や階段，スロープなど，実際の歩行環境での下肢関節インピーダンス推定を可能にした．
これらの成果は，歩行フェーズに加え，歩行環境にも応じて変化する関節インピーダンス制
御則を解明するような次の学術課題への発展や，インピーダンス推定値をフィードバック
して歩行支援機器を制御するような応用開発への展開が見込まれる． 
 
 
図 3 筋活動条件ごとの関節インピーダンス（粘性・剛性）の推定結果 
 
 
図 4 歩行中の下肢関節インピーダンス推定結果 
５．主な発表論文等
〔雑誌論文〕　計0件
〔学会発表〕　計4件（うち招待講演　0件／うち国際学会　1件）
2023年
2023年
2024年
2024年
46th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC2024)（国際学会）
 ４．発表年
 ４．発表年
 ４．発表年
 ４．発表年
装着型デバイスを用いたトレッドミル歩行時の膝関節インピーダンス推定
実環境での運動タスクに応用可能な下肢関節インピーダンス推定システムの提案
足関節インピーダンスをオンラインで推定可能なウェアラブルデバイスの開発
A Wearable Device for Ankle Impedance Estimation During Walking
矢木啓介
Keisuke Yagi
 ３．学会等名
 ３．学会等名
 ３．学会等名
 ３．学会等名
第24回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会
第24回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会
日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス部門講演会
 ２．発表標題
 ２．発表標題
 ２．発表標題
 ２．発表標題
 １．発表者名
 １．発表者名
 １．発表者名
 １．発表者名
海老澤咲良，矢木啓介, 森善一
中山孝，矢木啓介, 森善一
〔図書〕　計0件
〔産業財産権〕
〔その他〕
－
６．研究組織
７．科研費を使用して開催した国際研究集会
〔国際研究集会〕　計0件
８．本研究に関連して実施した国際共同研究の実施状況
氏名
（ローマ字氏名）
（研究者番号）
備考
所属研究機関・部局・職
（機関番号）
共同研究相手国 相手方研究機関


Analysis of the gait dynamics control law based on the lower limb impedance

岩本, 知広

Iwamoto, Chihiro

Elucidation and control of the generation of ultrasonic-induced lattice defects

茨城大学博士（工学）doctoral thesi

窪寺, 健吾

KUBOTERA, Kengo

Development and evaluation of textiles using metal filament yarn

宮﨑, 尚子

李, 満紅

中村, 麻里那

宮﨑, 由子

魯迅「故郷」少年期回想箇所の新翻訳と挿絵による補助教材の開発－授業実践を通して見えてきた展望と課題－

大瀧, 保広

茨城大学・情報戦略機構・教授
科学研究費助成事業　　研究成果報告書
様　式　Ｃ－１９、Ｆ－１９－１、Ｚ－１９ （共通）
機関番号：
研究種目：
課題番号：
研究課題名（和文）
研究代表者
研究課題名（英文）
交付決定額（研究期間全体）：（直接経費）
１２１０１
基盤研究(C)（一般）
2022～2018
検索可能暗号の応用システムに関する研究
Research on application systems of searchable encryption
３０２６１７３８研究者番号：
大瀧　保広（Ohtaki, Yasuhiro）
研究期間：
１８Ｋ１１２８９
年 月 日現在  ５   ６ １６
円     3,200,000
研究成果の概要（和文）：検索可能暗号技術はデータを暗号化して記録し、それらを復号することなく特定のキ
ーワードを含むデータを特定する技術である。検索のためにキーワードとそれを含むデータとの対応関係を暗号
化インデックスとして構成する。暗号化インデックスの実装方法として、主記憶上で配列や各種ハッシュを用い
た方法、二次記憶を用いる方法としてファイルやDBなどを用いた方法がある。テスト用のデータセットを作成し
た上で、これら各種方式について速度や耐故障性などの観点から評価を行った。実システムを構築する際にはDB
を利用することが必須であり、インデックス操作における問題点は要素技術の問題に帰着できることがわかっ
た。
研究成果の概要（英文）：Searchable encryption is a technique that records various data in encrypted 
form and identifies data containing specific keywords without decrypting them. In searchable 
encryption, the correspondence between keywords and the data containing them is constructed as an 
encrypted index. The purpose of this study is to clarify the issues involved in implementing a 
encrypted index.
After creating a data set for testing, we evaluated these various schemes in terms of speed, 
fault-tolerance, and so on. As a result, it was found that most of the problems in implementing 
searchable encryption can be turned into problems of elemental technology, and that no major 
problems arise in constructing the actual system.
研究分野： 暗号応用システム
キーワード： 検索可能暗号　実装技術　応用情報システム
  ２版
令和
研究成果の学術的意義や社会的意義
現在多くの情報システムがクラウド上に展開されており、多くの場合データベースを利用している。社会的意義
として、これらの情報システムの一部に検索可能暗号を適用した部分が自然に追加実装することが可能であると
いえる。また学術的には、検索可能暗号方式の提案が数学的モデルでの提案のみであったとしても、実際には実
装不能であるといった問題が生じる恐れは低いことがわかった。
※科研費による研究は、研究者の自覚と責任において実施するものです。そのため、研究の実施や研究成果の公表等に
ついては、国の要請等に基づくものではなく、その研究成果に関する見解や責任は、研究者個人に帰属します。
様式Ｃ－１９、Ｆ－１９－１、Ｚ－１９（共通） 
 
１．研究開始当初の背景 
(1)クラウドサービスが普及するにつれて、これまで組織内に設置されたサーバで行なって
いた処理をクラウドサーバで実行することが増えつつある。このとき顧客の個人情報など、
組織にとっての機微な情報が取り扱われることもある。万が一の情報漏洩の危険性を小さ
くする技術として秘匿計算や検索可能暗号などが注目されている。 
(2)検索可能暗号技術とは、様々なデータを暗号化した状態で記録し、それらを復号するこ
となく特定のキーワードを含むデータを特定できるものである。一般的な検索可能暗号技
術では、キーワードとそれを含むデータとの対応関係を「暗号化インデックス」として構成
し、これを利用して検索を行う。動的な検索可能暗号では暗号化ドキュメントと暗号化イン
デックスを一度格納した後に、ドキュメントの追加・更新・削除が行える。 
(3)様々な動的な検索可能暗号技術が提案されているが、一般に機能の追加と安全性の証明
が中心的な話題である。そのため、数学的なモデルでの提案だけで実装まで行っていないも
のも多く、具体的な実装にまで触れられているものは少ない。 
 
２．研究の目的 
(1)検索可能暗号技術を応用した情報システムを構築する際には、暗号化インデックスをい
かに実装するかが重要な問題となる。特に数学的モデルとしてのみ提案された暗号化イン
デックスを実際にプログラムとして実現しようとすると様々な問題点が想定される。本研
究では実システムとしての運用を前提に、暗号化インデックスのデータ構造とその操作手
順の実現時における問題点を解明する。 
(2)どのような点が実装上の問題点となるかが明らかに判明したら、それらの問題点を解決
するための方法を明らかにする。 
 
３．研究の方法 
仮想基盤上にサーバ環境を用意し、以下の順にステップごとに実現方法の問題点について
検討を行った。 
(1) データ構造と操作手順の実現方法の問題点の解明 
まず初めに様々な検索可能暗号方式の提案手法について「動作検証レベルの実装における
問題点」を扱う。これは提案手法の実現可能性の確認に相当する。暗号化インデックスは主
記憶上のデータ構造として実現される。基本的な検索可能暗号のモデルを実際に実装し、必
要となる要素技術の確認を行う。 
(2) システムとしての実装方法における問題点の解明 
次に実際の応用システムを構築する際に生じる実装上の問題点を扱う。実応用システムに
検索可能暗号技術を組み込んだ場合、暗号化インデックスはクライアントからサーバに送
信される必要があり、さらに暗号化された文書とともにファイルサーバ上に保存される必
要がある。システムの再起動などがあっても暗号化インデックスが継続的に運用される必
要がでてくることから、暗号化インデックスのデータ構造および操作方法をファイルやデ
ータベースに格納する形へと具体化することになる。 
 
 
(3) 分散システム上での実装における問題点の解明 
クラウドサーバでは、サービスの安定稼働や物理的な資源量の制約を破るために、データの
冗長化や分散化などが日常的に行われている。したがって、検索可能暗号を利用したシステ
ムも、複数サーバ上に分散構築されることを想定すべきである。このときデータを分散配置
するだけでなく、暗号化インデックス自体も複数サーバ上に分散配置することとなる。分散
システム上での暗号化インデックスの実装特有の問題点がないか確認する。 
 
４．研究成果 
(1)数学的な提案モデルでは通常単なる表として表現されることが多い暗号化インデックス
のデータ構造について検討を行った。想定される実装上の問題点としては、表のサイズの管
理方法、可変長であることが求められる文書リストの格納方法、高速な検索の実現方法など
が考えられる。そこで、暗号化インデックスの典型的なデータ構造として線形リストとマト
リックスを用いる方式の 2 種類について、オンメモリ上に単純配列、単純ハッシュ、
Hopscotch ハッシュなどによる実装を行った。Hopscotch ハッシュはデータの削除にも対
応できるハッシュテーブルである。評価用データを用いた評価実験を行い、メモリが枯渇し
ない範囲内において問題なく動作することが確認された。 
(2) 実システムの運用継続性を考えた場合には、(1)で取り上げたようなデータ構造をファイ
ルシステムやデータベース上の表現への落とし込みが必要となる。線形リストを用いる方
法ではポインタをどのように表現するか、またマトリックスをベースとする方式ではデー
タの増加に伴うマトリックスサイズの変化に対応する格納方法などが実装上の問題となる
ことがわかった。特にファイルではバイトストリームとなるため、複数の表、木構造、グラ
フ構造をもつ暗号化インデックスをシリアル化して格納してしまうとアクセス効率が極端
に低下するだけでなく、暗号化インデックスの更新が難しい。データベースを利用した暗号
化インデックスの実装として、リレーショナルデータベースである MariaDB と NoSQL デ
ータベースである(MongoDB と Redis)での実装を行った。NoSQL データベースとは非構
造化データの格納に柔軟に対応できるデータベースである。 
 さらに実応用システムへの適用を念頭に DNS のクエリとレスポンスのログを格納する
検索システムを構築した。評価用のテストデータを用いて格納と検索に要する計算量の評
価を行った結果、単純にモデルに沿って実装しただけでは実運用に耐える処理速度が達成
できないことがわかった。一方で、トランザクション上の問題、ストレージ枯渇時の問題は、
検索可能暗号に限らず通常のデータベースの問題に帰着することが可能であることが確認
された。 
(4)分散システムにおける暗号化インデックスの実装は、実システムを考えた場合には暗号
化インデックスのところで分散するのではなく、基盤となるデータベースとして分散デー
タベースを利用すれば十分であることが確認された。当初はファイルシステム上に直接イ
ンデックスを構築することが望ましいと思われたが、保守性や堅牢性の観点からはデータ
ベース上に構築したほうが望ましい。なお処理時間についてはデータベースの特徴を踏ま
えて実装することが重要である。 
５．主な発表論文等
〔雑誌論文〕　計1件（うち査読付論文　1件／うち国際共著　0件／うちオープンアクセス　0件）
2020年
〔学会発表〕　計0件
〔図書〕　計0件
〔産業財産権〕
〔その他〕
－
６．研究組織
７．科研費を使用して開催した国際研究集会
〔国際研究集会〕　計0件
８．本研究に関連して実施した国際共同研究の実施状況
共同研究相手国 相手方研究機関
 オープンアクセス  国際共著
オープンアクセスではない、又はオープンアクセスが困難 －
所属研究機関・部局・職
（機関番号）
氏名
（ローマ字氏名）
（研究者番号）
備考
A Practical Implementation of Searchable Encrypted Audit Logging System
Advances in Networked-Based Information Systems. NBiS 2020. Advances in Intelligent Systems and
Computing,
549～559
 掲載論文のDOI（デジタルオブジェクト識別子）  査読の有無
10.1007/978-3-030-57811-4_55
 ３．雑誌名  ６．最初と最後の頁
有
 ４．巻
Ohtaki Yasuhiro、Togashi Kenta 1264
 １．著者名
 ２．論文標題  ５．発行年


検索可能暗号の応用システムに関する研究

佐々木, 稔

半教師あり深層学習を用いた語義曖昧性解消

Ibaraki University

STUDIES IN TEACHING STRATEGIES 
IBARAKI UNIVERSITY 
Vol. 43, November 2024 
 
CONTENTS 
 
The PBL－Based Projects Seminar in 2020－2023：Its Evaluation by Students 
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・Junichi IWASA and Atsushi SUZUKI   1 
Implementation of Classes for Promoting Understanding of Hearing Loss in Special Needs Classes: 
For Children with Autism Spectrum Disorder 
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・Miho SHIINA, Daichi IIMURA and Osamu ISHIDA   15 
Engagement in SSH Inquiry Activities 
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・Hideyuki JUMONJI, Fumiya MOROOKA and Naoki MIYAMOTO   26 
Exploring teaching methods to develop wise body in early childhood-I University Kindergarten for 5-year-olds- 
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・Akane SHINODA and Naomi KAMINAGA   36 
Creating classes on “Inclusion” in high school physical education departments Example of ball game goal type using 
wheelchair basketball by veteran teacher  
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・Waka SATO and Satoshi YOSHINO and Nobuko OTSU   47 
Creating a teaching material of Exercises for Releasing Body and Mind using Super Brane Training 
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・Shunya SHIMIZU, Yuika TOKUNAGA and Satoshi YOSHINO   63 
Toxic Parenting Attitudes and Child Development: From My Experience as a School Counselor 
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・Yasuhiko NOGUCHI   75 
Class Practice of Performance Tasks to Foster Application Skills in Junior High School Home Economics:  
Through ‘Task and Practice of Eating Habits' 
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・Juna HABO and Mitsue NONAKA  86 
Quantitative Classroom Practice Analysis of Short-term Japanese Calligraphy Experience for International Students 
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・Masakazu ITO  101 
A Practice of Intercultural Collaborative Learning between University Exchange Students and Japanese Junior High 
School Students: A Case of Collaboration between Ibaraki University and Katsuta Secondary School 
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・Masaki SEO and Izumi NOGAMI  109 
Educational Effects and Future Prospects of E-Sports 
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・You CHOI and Tamotsu ONISHI  122 
Survey of Sexuality Education in High Schools 
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・Chiaki IWASE and Naoko AOYAGI   129 
 
Control of Micro:bit for Elevator Model Teaching Materials 
―The Educational Effects of Collaborative Studies by Students of Architecture and Information Technology for 
School Information Sessions, etc.― 
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・Kenichi SHINOZAKI and Jun TSUKADA and Yuji KUDO  143 
Practical Japanese History: Land Surveying in Primary School Social Studies 
・・・・・・・・・・・・・・・・・Mayumi CHIBA , Sayaka SEKI , Gaku NAMAI , Reika UNO and Takaaki SUZUKI  158 
A proposal for a lesson on artificial intelligence (AI) for the junior high school technology course  
"D Information Technology" 
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・Ryota MIZOGUCHI， Tamotsu ONISHI and Yoshimi TOZAKI  173 
Research on cognition in elementary school teachers' classroom observations 
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・Fumihiro OGIHARA and Tatsuo MOROZUMI  186 
Practical Research on Learning of Electromagnetism in Elementary School Science 
：Devising Sixth Grade Teaching Materials Unit Composition and Lesson Development for “ Use of Electricity ” 
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・Yuta SHIMIZU  197 
 
 
Published by the Center for Teacher Education Ibaraki University 
Mito, Ibaraki Prefecture 
Japan 


English

茨城大学教育実践研究 第43号英文目次

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