共同研究・競争的資金等の研究課題

本研究は筋組織のin vitro 3次元組織形成において「人の介在と思い込み」を排除し，生命科学実験を自動的・自律的に実行可能とする「知能化培養システム」を構築する．この培養システムは，3次元組織培養・力学刺激・蛍光観察が可能な培養モジュールを複数並列して順次的に培養することで，「観察」「計画」「行動」「発見」という科学者の研究サイクルをアルゴリズムとシステムインテグレーション技術により自律的に行い，生命科学の重要な課題である組織成熟化と力学刺激の関連性の解明を目指す．さらに本技術をヒトiPS由来心筋組織に適用することで高度に成熟化したin vitro心筋組織を構築し，医療応用展開を探索する．

火星には現在、液体の水が存在するのか。いつどこに出現し、そこに生命はいるのか―この問いに答えることは、惑星科学に留まらず、宇宙生物学や宇宙工学にまたがる課題である。本研究では、この問いに答えるため、地下凍土層の融解により形成されている可能性がある、火星の急斜面に出現消失を繰り返す暗い筋模様（Recurring Slope Lineae, RSL）に着目し、その地球上のアナログ地形の調査を行う。詳細な地質・微生物調査と、無人観測ステーションによる長期観測、機械学習による地形パターン認識により、RSL形成メカニズムの解明、RSL付近の生態系推定、水の活動を伴う火星RSLの探索を行う。

土木建設業では，熟練工不足の解消ならびに労働環境の改善を行うため，完全自動土木工事の実現が期待されている．これを実現するためには，油圧ショベルが自動で土を掘ることが必須であるが，対象となる土砂が変形するために大変困難である．そこで，本研究では，土砂のマクロ的性質を考慮した油圧ショベルの自動掘削動作の実現を目指す．具体的には，掘削中，油圧ショベルに搭載したセンサを用いて，逐次土砂の三次元計測を行う．これにより，土砂の崩れ易さや硬さといったマクロ的指標を推定する．この指標と土砂形状を用いて動作の再計画を行い，掘削を継続する．本研究では，実油圧ショベルを用いて，この一連の自動掘削動作の実現を目指す．

本研究課題初年度（2018年度）の主な実施内容および成果をまとめる． センサ搭載型車輪の拡張：これまで研究代表者のグループにおいて開発していたセンサ搭載型車輪をベースとして，車輪全周に圧力センサを配置したセンサ車輪，および内部にカメラと搭載したセンサ車輪をそれぞれ開発した．これらの車輪によって，車輪回転に伴った連続的なデータ取得が可能となり，2019年度以降に開発されるハードウェアとシミュレータ間のデータ連携の時間連続性を実現することができる． 地形形状取得システムの開発：従来から本グループにおいてはPIV（Particle Image Velocimetry，粒子画像流速測定法）を用いて，車輪下部での地形の変形を測定していたが，同手法に加え，車輪後方部に搭載したデプスカメラ，上述のカメラ内蔵車輪をそれぞれ用いることによって，砂地上を走行する車輪周囲に発生する地形の変形を捉えるシステムを開発した．このシステムにより計測されるデータもシミュレータへのデータ連携として活用していく． シミュレータ環境の構築：当初，次年度に実施予定としていたが，予算および入手性の観点から2018年度にシミュレーションソフトウェアの導入をおこなった．同ソフトウェア上において，フィールドロボット（車輪型移動ロボットおよび着陸システム）のシミュレーション環境を構築するとともに，2019年度以降必要となるハードウェアとの連携について検討をおこなった．また，同ソフトウェアを開発している国外企業の技術者ならびに接触モデルを構築した研究者との技術交流セミナを実施し，本研究の発展を見越し海外大学との連携を視野に入れた議論をおこなった． 当初予定としていたシミュレータ導入を1年早めることにより，本研究課題の基盤となるシミュレーションソフトウェア上でのロボットのモデル化，接触力学の概要，動力学計算の実施に取り組み，2年目以降のハードウェア連携が円滑になると考える．一方，ハードウェア（実験装置）制御系をMATLAB/Simulinkによって構築する予定であったが，この開発に若干の遅延が見られるため，全体の進捗として上記の区分にて自己評価する． 2019年度の推進方策を下記にまとめる． シミュレータ環境の開発においては，動力学ソルバの安定性，多様なモデルへの対応方法，ならびにハードウェアとの連携方法について開発を進めるとともに，実験装置から計測される接触情報の取得ライブラリの作成をおこなう．また，当初の研究計画にはなかったが，実験装置では多様な接触物体（例：不整地地面の種類を変更するなど）を扱えないため，仮想的な実験装置として，接触物体の変形を精緻に表現できる離散化要素法シミュレータの導入も行う予定である．さらに2019年度後半期および2020年度では，HILSにおいてよく知られた問題であるハードウェアとの正確な時間同期問題，シミュレーションの安定化問題について取り組み，ハードとソフトの統合化に着手する．

太陽系固体天体探査において、浅部地下構造は今後極めて重要な探査対象となる。地下構造の理解には密度構造の把握が決定的に重要であるため、これを直接的に計測できるミュオグラフィ技術は惑星探査にとって魅力的である。そこで既に実用化されている高速大型のミュオグラフィ装置の超小型化となるプラスチックシンチレーターをPMT (Photomultiplier Tube)と組み合わせたタイプのものと、核医学イメージング技術を応用したプラスチックシンチレーターとMPPC (Multi-Pixel Photon Counter) を組み合わせたタイプの、２種類の原理検証機を作成した。 前者はディテクター自体は5.2cm x 5.2cm x 6.5cmとミュオグラフィ装置としては極めて小型化されているが、装置全体としては新規で作成した小型高圧電源装置とオシロスコープを組み合わせる必要がある。後者は64チャンネルのSiPMを用いてdynamic Time-Over-Threshold (dTOT)ボードを利用してdata-acquisition DAQボードで読み出すというもので、ディテクターの大きさが約2.6cm x 2.6cm x 3.1cmであることもあり省電力かつ小型化に成功している。 前者の検出装置は2台製作し、それぞれの向きや距離を変え、さらに低エネルギーの粒子による誤検出を排除するために鉛板を利用した。その結果、既に知られている地上での鉛直ミュオン強度などと比較しても調和的な検出効率を達成できていることが確認され、原理実証機の作成としての目的は達せられた。なおシンチレーターは指向性を出すために細長い形状のものを用いているが、シンチレーターの形状で指向性を出したものは今回作成したミュオグラフィ装置が世界で初めてのものとなった。 超小型ミュオグラフィ装置の原理実証機を作成し、屋内でのミュオン検出に成功したことから、ある程度の計測を行える目途がたった。一方で小型化による問題点が、単に積分時間の増大のみであると当初は考えていたが、数値計算により解像度の意味では遥かに複雑な問題を含むことがわかってきた。 現状の原理実証装置ではオシロスコープでトリガーごとにデータの書き込みを行っており、このデータ量と消費電力により屋外での運用が困難となっているため、小型検出器の読み出し回路について検討を行い、同時に開発を進めている小型ローバへ搭載し屋外での実証試験を行う。また火星での応用を目指し、火星における放射線環境を数値シミュレーションなどを通じて把握する。