Archive for 3月, 2010

市販ロボット使いナンバー1を決める「第一回ROBO-ONE Light」&軽量級バトル「第17回 ROBO-ONE」レポート

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3月20日と3月21日、小型二足歩行ホビーロボットによるバトル大会「ROBO-ONE」が行なわれた。

初日には市販のキットと1kg以下の軽量自作ロボットのみのバトル大会「第一回ROBO-ONE Light」が行なわれ、杉浦機械設計事務所の「TINYWAVE」で出場した韓国からの挑戦者「fruit」さんが優勝。

2日目には3kg以下の軽量級自作ロボットバトル大会「第17回ROBO-ONE」が行なわれ、「ひろのっち」さん製作の「スーパーディガーII」が優勝し、賞金100万円とベルトを手にした。

続きはGameWatchでご覧下さい! 
もちろん動画もあります。

ホンダによる「U3-X」のプロモ動画

ホンダによる不思議なラジカセというか椅子みたいなパーソナルモビリティ「U3-X」の新しいプロモーション動画です。

私による発表時の記事はこちら:
ホンダ、新型パーソナルモビリティ「U3-X」発表
〜前後左右斜めに自在移動可能な一輪車スタイル
http://robot.watch.impress.co.jp/docs/news/20090924_317439.html

巨大なナナフシ(動画)

でかい。
ただでかいです。

早稲田大学チリ津波調査隊を現地に派遣 津波被災の実態を調査

早稲田大学理工学術院の海岸環境・防災研究室(柴山知也研究室)は、2月27日に発生したチリ地震津波の災害調査のため、柴山知也教授を隊長とする「チリ津波調査隊」を4月2日~11日の予定で、現地に派遣する。

チリ第2の都市で震源地に近いコンセプシオン(Concepcion)をはじめとする沿岸域で津波被災の実態を調査する予定。

昨年9月に発生したサモア諸島沖地震津波の際にも同様の調査を行い、津波高さの測定、被災状況や避難行動の分析などに成果を上げた。

海岸環境・防災研究室は、沿岸地域の開発・利用について、環境との共生を目指した防災や建設のあり方に関する教育研究を行っている。

柴山教授は、2004年インド洋大津波、2005年ハリケーン・カトリーナ高潮(アメリカ)、2006年ジャワ島中部地震津波(インドネシア)、 2007年サイクロン・シドル高潮(バングラデシュ)、2008年サイクロン・ ナルギス高潮(ミャンマー)、2009年サモア諸島沖地震津波でも調査隊長を務め、被災直後の調査に当たった。

◆早稲田大学チリ津波調査隊

派遣期間:

2010年4月2日(金)~4月11日(日)
予  定:

4/3-4/4、4/9 チリ大学(早稲田大学海外協定校)との共同研究
4/5-4/9    コンセプシオン カトリック大学との共同現地調査
(Constituci?n, Curanipe, Pelluhue, Penco, Tom?, Dichato, Cobquecura, Talcahuano, Tumbes などを調査)
4/8午後   地元大学、行政機関、住民団体との共同セミナー実施
メンバー:

柴山知也教授(早稲田大学理工学術院)
Miguel Esteban講師(早稲田大学理工学術院)
他大学院生2名


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Ube3a遺伝子は大脳皮質回路の臨界期終了後の成熟に必須 母親由来の染色体異常が引き起こす「アンジェルマン症候群」の原因遺伝子

母性染色体異常が引き起こす神経発達障害の原因遺伝子の働きを解明|2010年 研究成果|独立行政法人 理化学研究所.

カリフォルニア大学サンフランシスコ校のマイケル・ストライカー(Michael Stryker)教授と、理研 脳科学総合研究センターシナプス機能研究チームの佐藤正晃研究員(前カリフォルニア大学サンフランシスコ校博士研究員)らは、母親由来の染色体の異常が引き起こす神経発達障害「アンジェルマン症候群(精神発達遅滞、言語障害、歩行失調、痙攣(けいれん)、頻繁に笑うなどの独特の行動をはじめとした神経発達障害。有病率は約1万5千人に1人で、日本ではアンジェルマン症候群の新生児が年間約70人生まれている計算になる)」の原因遺伝子「Ube3a」が、大脳皮質機能の可塑性とその後の成熟に必須であることを、アンジェルマン症候群のモデルマウスを用いた研究で明らかにした。アメリカ科学アカデミー紀要『Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(PNAS)』2010年3月23日号に掲載された。

研究チームは、母性染色体上のUbe3a遺伝子を欠損したマウスを用いて、大脳皮質にある視覚野の可塑性を、神経活動に伴う脳の代謝変化を画像化する「内因性シグナル光学イメージング(神経活動に伴う脳の代謝変化を検出することで、活動した脳の部位と活動の大きさを画像化する技術)」という手法で調べた。

その結果、生後4週目の発達時期(臨界期)に片目からの視覚経験を短期的に遮蔽(しゃへい)すると、野生型マウスは、遮蔽眼の視覚野の活動が顕著に弱まるという可塑性を示した。その一方、Ube3a母性欠損マウスは、活動の弱まる程度が低く(可塑性の度合いが小さく)なることを発見した。

また、臨界期が終了する生後6週目では、長期的に視覚経験を遮へいすると、野生型マウスは非遮へい眼の視覚野の活動が強くなるという特徴的な可塑性を示すが、Ube3a母性欠損マウスは、野生型マウスが臨界期で示したように遮へい眼の視覚野の活動が弱まることが分かった。

これらの結果から、母性染色体上のUbe3a遺伝子の機能が、大脳皮質の神経機能の成熟に必須であることが判明した。アンジェルマン症候群の主な症状である精神発達遅滞の病態解明と、その治療法の開発に役立つことが期待できるという。

「Ube3a」遺伝子は、細胞内で不要になったタンパク質に目印を付加する機能(ユビキチンリカーゼ活性)を持つタンパク質の1つをコードする。この遺伝子が欠損すると「アンジェルマン症候群」という遺伝性の神経発達障害を引き起こす。

Ube3a遺伝子は、ヒトの場合15番染色体に存在する。父母からそれぞれ受けついだ2本の染色体のうち脳では母方由来のものだけが発現する。これは「ゲノム刷り込みによる母性発現」による(全遺伝子の1%以下と推定されるごく一部の遺伝子では、一方の親由来の染色体からの発現が選択的に抑制され、他方の親由来の染色体からのみ発現が起こる。このような親特異的な遺伝子発現の抑制をゲノム刷り込みと呼ぶ)。

研究チームは「アンジェルマン症候群」の病態の一部に、Ube3a遺伝子の欠損による神経回路の発達異常がかかわっているのではないかと考え、マウスの大脳皮質にある視覚野の神経回路をモデルにして、その役割を調べた。

マウスの視覚野の生後発達とその後の成熟は、視覚中枢同士の規則正しい神経細胞の結合の形成や、視覚経験が回路の精緻(せいち)化に影響を及ぼす臨界期の開始と終了など、複数の過程が生後1週から6週にかけて一定の順番で進む。また、これらの過程が遺伝的プログラムと視覚経験の相互作用によって起こるために、視覚野の神経回路は脳の生後発達を詳細に調べるために極めて有用なモデルとなっているという。

マウスは生後4週目になると、視覚野が顕著な感受性を示して発達する臨界期という時期を迎える。このときの視覚野のUbe3aタンパク質の発現を調べると、野生型マウスの神経細胞では主に細胞核に強い局在が見られた。

だがUbe3a母性欠損マウスの神経細胞では、父性染色体上のUbe3a遺伝子は正常であるにもかかわらず、Ube3aタンパク質の発現がほぼ完全に消失していました。この結果は、ヒトの脳で報告されているのと同様に、マウスの視覚野でも、Ube3a遺伝子が母性染色体から発現していることを示す。

図1 マウス視覚野におけるUbe3aの母性発現。(A)一対のUbe3a遺伝子の片方を欠く(ヘテロ欠損)母マウスと野生型父マウスの交配により、母親由来の染色体上のUbe3a遺伝子を欠いた母性欠損マウスが得られる。(B)野生型マウスとUbe3a父性欠損マウスの視覚野の神経細胞では、細胞核染色で染まる核(青の丸い部分)の場所に、Ube3aタンパク質の存在(緑の丸い部分)が観察される。一方、Ube3a母性欠損マウスでは、この Ube3aタンパク質が消失し、核の部分が黒く抜けて見える。

図1 マウス視覚野におけるUbe3aの母性発現。(A)一対のUbe3a遺伝子の片方を欠く(ヘテロ欠損)母マウスと野生型父マウスの交配により、母親由来の染色体上のUbe3a遺伝子を欠いた母性欠損マウスが得られる。(B)野生型マウスとUbe3a父性欠損マウスの視覚野の神経細胞では、細胞核染色で染まる核(青の丸い部分)の場所に、Ube3aタンパク質の存在(緑の丸い部分)が観察される。一方、Ube3a母性欠損マウスでは、この Ube3aタンパク質が消失し、核の部分が黒く抜けて見える。

また、このUbe3a母性欠損マウスの視覚野の機能が臨界期にどう発達するかを調べた。具体的には、生後4週目に片目を数日間閉じて視覚経験を遮蔽したときの可塑性の度合いを、マウスの脳部位の神経活動を画像化できる「内因性シグナル光学イメージング」を用いて調べた。

図2 内因性シグナル光学イメージングによる視覚野活動の画像化。(A)麻酔下のマウスに視覚刺激を提示し、視覚野表面の画像を赤色照明下でCCDカメラにより連続的に取得する。(B)マウス視覚野(上図の灰色部分)の表面画像(下左図)と、視覚刺激提示中に取得した画像を数学的に解析して得られる視覚反応画像(下右図)。反応が強いほど、活動した脳の領域が黒く表現される。この技術により、長さ約1mm、幅約0.5mmの小さなマウスの視覚野の活動を画像化することができる。

図2 内因性シグナル光学イメージングによる視覚野活動の画像化。(A)麻酔下のマウスに視覚刺激を提示し、視覚野表面の画像を赤色照明下でCCDカメラにより連続的に取得する。(B)マウス視覚野(上図の灰色部分)の表面画像(下左図)と、視覚刺激提示中に取得した画像を数学的に解析して得られる視覚反応画像(下右図)。反応が強いほど、活動した脳の領域が黒く表現される。この技術により、長さ約1mm、幅約0.5mmの小さなマウスの視覚野の活動を画像化することができる。

野生型マウスの視覚野は、臨界期に片眼からの視覚経験を短期間(4日間)遮蔽すると、遮へい眼に対する視覚野の活動が弱くなる「眼優位可塑性」という可塑性を引き起こす。しかし、Ube3a母性欠損マウスでは、この眼優位可塑性の度合いが野生型マウスに比べて約28%と著しく減少していた。このことは、母性染色体のUbe3a遺伝子欠損によって、視覚野の神経回路の適応性を大幅に失ったことを示している。

図3 Ube3a母性欠損マウスの視覚野における臨界期可塑性の障害。(A) 内因性シグナル光学イメージングで測定した臨界期の視覚野の反応。野生型マウスでは4日間の片眼遮へいによって遮へい眼の反応の強さが弱くなるが(臨界期可塑性)、Ube3a母性欠損マウスではこの減弱がほとんど起こらない。(B) それぞれの眼に対する視覚野の反応の強さの相対的な比を計算すると、野生型マウスでは、4日間の片眼遮蔽後にこの比が非遮蔽眼方向に大きく変化するが、Ube3a母性欠損マウスでは、この変化は28%と小さい(可塑性の度合いが小さい)。この差は片眼遮蔽を14日まで延長しても存続する。

図3 Ube3a母性欠損マウスの視覚野における臨界期可塑性の障害。(A) 内因性シグナル光学イメージングで測定した臨界期の視覚野の反応。野生型マウスでは4日間の片眼遮へいによって遮へい眼の反応の強さが弱くなるが(臨界期可塑性)、Ube3a母性欠損マウスではこの減弱がほとんど起こらない。(B) それぞれの眼に対する視覚野の反応の強さの相対的な比を計算すると、野生型マウスでは、4日間の片眼遮蔽後にこの比が非遮蔽眼方向に大きく変化するが、Ube3a母性欠損マウスでは、この変化は28%と小さい(可塑性の度合いが小さい)。この差は片眼遮蔽を14日まで延長しても存続する。

次に、臨界期終了後の視覚野の発達の様子を調べた。研究チームは以前の研究で、野生型マウスが臨界期を終了する生後6週に、より長期間(7日間)片眼を遮蔽することで、非遮蔽眼に対する視覚野の活動が増強する「成体眼優位可塑性」を報告していた(臨界期後でも片眼遮蔽の期間を長くすれば、程度は小さくなるが明らかな眼優位可塑性が起こる現象)。

しかし、Ube3a母性欠損マウスではこの「成体眼優位可塑性」が見られず、むしろ臨界期に見られる「眼優位可塑性」のような遮蔽眼の視覚野の活動の減弱がゆるやかに起こった。

このことは、母性染色体のUbe3a遺伝子が欠損すると、臨界期終了後の視覚野の発達の段階でも、その可塑性が臨界期終了以前の未熟な状態にとどまってしまうことを示す。つまり、母性由来のUbe3a遺伝子が、大脳皮質視覚野の機能の成熟に必須な役割を持つと結論づけることができたとしている。

図4 臨界期終了後のUbe3a母性欠損マウスの視覚野の可塑性。(A)内因性シグナル光学イメージングで測定した臨界期終了後の視覚野の反応。(B)野生型マウスでは7日間の片眼遮へい後に非遮蔽眼の反応の増強が見られるが(成体眼優位可塑性)、Ube3a母性欠損マウスではこの特徴が見られず、むしろ臨界期の可塑性のように遮へい眼の反応が減弱し続ける。

図4 臨界期終了後のUbe3a母性欠損マウスの視覚野の可塑性。(A)内因性シグナル光学イメージングで測定した臨界期終了後の視覚野の反応。(B)野生型マウスでは7日間の片眼遮へい後に非遮蔽眼の反応の増強が見られるが(成体眼優位可塑性)、Ube3a母性欠損マウスではこの特徴が見られず、むしろ臨界期の可塑性のように遮へい眼の反応が減弱し続ける。

さらに、Ube3a母性欠損マウスの視覚にかかわる脳領域間の結合の様子を調べると、生後1週目に形成される眼から視床への神経結合と、視床から大脳皮質視覚野への神経結合はほぼ正常だった。

しかし視覚野内の神経回路の構造に着目し、生後4週目のマウス視覚野を緑色蛍光タンパク質でラベルして、第5層の神経細胞の棘突起密度を調べると、Ube3a母性欠損マウスの神経細胞では、細胞体から上方向に伸びる樹状突起上の棘突起密度は正常だったが、水平方向へ伸びる樹状突起上の棘突起密度が野生型マウスに比べ減少していた。

これは、Ube3a母性欠損マウスでは、脳の領域間の回路の大まかな配線は保たれているものの、視覚野内の局所的な神経回路の結合に異常があることを示している。

図5 Ube3a母性欠損マウスの神経細胞の棘突起。(A) 視覚野の神経細胞の模式図。(B)(A)の点線部分の拡大写真。Ube3a母性欠損マウスでは細胞体から水平方向に伸びる樹状突起上の棘突起が減少していた。

図5 Ube3a母性欠損マウスの神経細胞の棘突起。(A) 視覚野の神経細胞の模式図。(B)(A)の点線部分の拡大写真。Ube3a母性欠損マウスでは細胞体から水平方向に伸びる樹状突起上の棘突起が減少していた。

今後は、Ube3aタンパク質の欠損によってなぜ神経回路の発達に影響が及ぶのかを調べる。また障害を回復させる働きをもつ薬物や遺伝子を探索する。


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「あかり」による日本発の赤外線天体カタログが公開へ

「あかり」が検出した天体の天球面上の分布。青: 9 マイクロメートル 、緑: 18 マイクロメートル、赤: 90 マイクロメートル。中央横に拡がるのが銀河面(天の川)。青く見える天体の多くは銀河系内の星、赤く見えるのは、主に生まれたての星や、遠方の銀河。

「あかり」が検出した天体の天球面上の分布。青: 9 マイクロメートル 、緑: 18 マイクロメートル、赤: 90 マイクロメートル。中央横に拡がるのが銀河面(天の川)。青く見える天体の多くは銀河系内の星、赤く見えるのは、主に生まれたての星や、遠方の銀河。

JAXA|新世代の赤外線天体カタログ、日本から世界に公開へ.

赤外線天文衛星「あかり」が観測した約130万天体にも及ぶ赤外線で輝く天体の情報を集めた「赤外線天体カタログ」が、3/30日、世界の研究者に向けて公開された。今後の天文学の進展に大きく寄与する日本発のデータベースとなる。

赤外線はエネルギーが低いため、比較的低温の星や、塵(固体微粒子)を含む暗黒星雲、あるいはそれらの集合体である銀河などからも放射される。また、光よりも透過力が高いため、光では見えない領域を観測するのにも適している。

赤外線天体カタログは、20年以上前にIRAS(アイラス)衛星(1983年に打ち上げられた、アメリカ・イギリス・オランダが共同で開発した世界初の赤外天文衛星)によって初めて作られ、これまで広く天文学者に使われ続けてきた。

今回公開された「あかり」のカタログは、全天の96%以上をカバーし、「近・中間赤外線カメラ(IRC)」によって検出された約 87万天体のカタログと遠赤外線サーベイヤー(FIS)が観測した約43万天体のカタログから構成されている。

天体総数は約130万。IRASのカタログに比べて5倍の規模。またIRASに比べてより高い解像度、より高い感度、より広い波長域の情報が含まれているという。

このカタログの初版は2008年11月に完成し、プロジェクトチーム内での試用開始を宇宙開発委員会に報告された。その後、改良により遠赤外線カタログの天体数は6倍以上、全体では1.6倍に増加し、また天体の明るさの精度向上も達成し、世界の研究者に向けて一般公開されることになった。

「あかり」赤外線天体カタログからは、すでにいつどのくらい、どのように星が生まれてきたのかを調べる研究や、太陽以外の星のまわりで惑星が作られつつある場所を見つけ出すなど、いくつかの初期成果が得られている。

今回の一般公開により日本発のカタログが、赤外線天文分野のみならず、電波からX線にいたる広範な天文研究者によって多種多様な天体の研究に使われ、また地上望遠鏡から天文衛星まで、さまざまな天文台で観測計画のもとになるカタログとしても使われることになるという。

赤外線天文衛星「あかり」のイメージ図

赤外線天文衛星「あかり」のイメージ図


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ACCESS、Android向けに雑誌コンテンツと雑誌閲覧用ソフト「NetFront Magazine Viewer」を提供 KDDIの「au one Market」に6月から

東京カレンダー 2010年 06月号 [雑誌]
アクセス・パブリッシング

ニュースリリース.

ACCESS、Androidプラットフォーム向けに雑誌コンテンツと雑誌閲覧用ソフトウェア「NetFront Magazine Viewer」を提供 KDDIの「au one Market」に6月から

株式会社ACCESSは、出版プラットフォーム事業を拡充し、Android™プラットフォーム向けの雑誌コンテンツと、雑誌閲覧用ソフトウェア「NetFront Magazine Viewer」を6月より提供開始すると発表した。

Androidプラットフォームに対応したスマートフォンで、

  • 『東京カレンダー』(アクセス・パブリッシング)、
  • 『料理通信』(料理通信社)、
  • 『SUMAI no SEKKEI(住まいの設計)』(扶桑社)、
  • 『クロノス日本版』(シムサム・メディア)、
  • 『荷風!』(日本文芸社)

などの雑誌コンテンツを、端末画面上で閲覧できるようになる。

ACCESSは、「NetFront Magazine Viewer」と雑誌コンテンツを、KDDIが6月上旬以降にサービスを開始するAndroid搭載スマートフォン向けの新たなアプリマーケット「au one Market」に提供していく予定。

今後もラインナップ拡充を予定している。

こういう雑誌の読者がマスなんでしょうか。





Chronos ( クロノス ) 日本版 2010年 03月号 [雑誌]
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富士重工業とNEXCO中日本、「サービスエリア清掃ロボットシステム」を共同開発 上海万博「日本館ロボットステージ」に出展

富士重工業 サービスエリア清掃ロボットシステム

富士重工業 サービスエリア清掃ロボットシステム

プレスリリース(PDF).

中日本高速道路株式会社(NEXCO中日本)と富士重工業株式会社は、高速道路のサービスエリア(SA)・パーキングエリア(PA)の休憩施設を自動で清掃する「サービスエリア清掃ロボットシステム」を共同で開発したと発表した。上海国際博覧会の「日本館ロボットステージ(2010年5月17日~23日)」に出展される。

富士重工業株式会社が「ロボットによるビルの清掃システム」などで培った技術をベースに、NEXCO中日本の清掃や維持管理ノウハウを融合し、共同で開発した。NEDO(新エネルギー・産業技術総合開発機構)の「生活支援ロボット実用化プログラム」の元で開発された安全技術と、「次世代ロボット知能化技術開発プロジェクト」の元で開発された知能化モジュールを搭載。完成度を高めた。

手洗いの清掃では、ゴミを吸引する「バキューム作業」と、床面を磨く「モップ掛け作業」の2種類の作業が必要だが、サービスエリア清掃ロボットでも同様の作業が同時に可能だという。またロボット側面のサイドブラシ(洗浄液を滴下)を用いて男子小便器周りの清掃も可能。

同時に、レーザー式障害物センサーによって周囲4m以内の人や障害物を検知。30cm以内に近づくと停止する安全設計となっており、清掃ロボットと清掃員が共存できるように、安全性を大幅に高めたとしている。

また、手洗いの消臭・除菌を目的に、オゾンを発生・放出する装置の搭載が可能だという。

諸元

今後、東名高速道路のサービスエリアで実証実験を行い、改良を行い、サービスエリアのお手洗いやレストランなど営業施設内の清掃への導入を計画する。


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磁気的性質の違う量子ドットを使って、電子スピンの向きによる電流制御デバイスが可能に スピンに依存した電子の透過・捕獲現象を1個1個の電子で初観測

磁性の違う2種の人工原子で、スピンに依存した電子の透過・捕獲に成功|2010年 プレスリリース|理化学研究所.

理研基幹研究所河野低温物理研究室の大野圭司専任研究員、台湾交通大学物理学部の林志忠教授、国立大学法人東京大学工学部および独立行政法人科学技術振興機構国際共同研究量子スピン情報プロジェクトの樽茶清悟教授、NTT物性基礎研究所の都倉康弘研究員らは、磁場を発生するコイルの中に、異なる材料でできた2つの半導体人工原子(量子ドット)を電極間に並べて設置し、一定磁場の下で電圧を変化させると、電子スピンの向きに応じて、人工原子内を電流が流れたり(電子が透過したり)、流れなかったり(電子が捕獲されたり)する新しい現象を発見した。アメリカの科学雑誌『Physical Review Letters』オンライン版(4月1日付け:日本時間4月2日)に掲載される。

電子スピンのエネルギー差は磁場の強さに比例して大きくなる。この比例定数を「g因子」と呼ぶ。固体中の電子スピンのg因子の値は、構成する母体材料の種類で決まる。半導体人工原子の作製に適したガリウムヒ素(GaAs)やインジウムヒ素(InAs)などの化合物半導体は、その組成を変えることでg因子を変化させられる。

研究グループは、たった電子1個しか占有できないほどの極小デバイスとして、インジウムガリウムヒ素(InGaAs)でできた人工原子1つと、 GaAsでできた人工原子1つを考案して、ソース電極−絶縁体−InGaAs人工原子−絶縁体−GaAs人工原子−ドレイン電極というサンドイッチ構造の半導体人工分子素子を作製し、極低温の磁場中に設置した。

それぞれの人工原子には1つのエネルギー軌道準位があり、磁場を加えると、上向きスピン準位と下向きスピン準位の異なる準位に分裂する。ソース・ドレイン電極間に印加する電圧を変えて、これら2つの準位の相対的な位置を制御することで、半導体人工分子素子が特定のスピンを持つ電子を1個ずつ透過させたり捕獲したりする現象を発見した。この現象を利用すると、スピンに依存した新しい電流制御が可能になるため、将来の半導体スピントロニクスや電子スピンを用いた量子情報処理への応用が期待できるとしている。

少数の電子を微小な空間に閉じこめることのできる半導体人工原子は、電気的な測定により、人工原子内部の電子の挙動を知ることができるため、基礎科学・応用の両面から注目を集めている。中でも、GaAs 、InAs、AlAsなどのIII−V族化合物半導体からなる合金は組成を変えることで、合金中の電子スピンの磁気的性質(g因子)が変化する特徴を持つ。

g因子が異なる材料を薄膜絶縁体の両側に配置して電極で挟んで電圧を加えると、トンネル電流により電子を人工原子から別の人工原子に移動させることができる。移動する電子スピンの向きは、「入れ物」である人工原子の性質で決まる。結果として電子の磁気的性質を電気的に変化させることができる。これまでの実験は、10億個程度の電子スピンの集団が、ほとんど向きがばらばらな状態でg因子の異なる領域を行き来しているだけで、個別の電子を観察することはできなかったが、今回は、1個の電子に着目し、磁場中にある人工原子内での挙動について詳細に観察することができた。

研究グループは、ソース電極−絶縁体−InGaAs人工原子−絶縁体−GaAs人工原子-絶縁体−ドレイン電極の順に積層した構造を、直径約 500nm(1nmは10億分の1m)の円柱状に加工した。それぞれの人工原子の厚さは約10nmで、g因子の値は、InGaAs人工原子の場合が−0.89、GaAs人工原子の場合が−0.33と異なる。

01

積層構造の模式図。ドレイン電極から順に各素子を積層し、ソース電極まで蒸着したところで500nmの円柱状に加工した。

この円柱の周囲にゲート電極を設置し、負電圧を加えることで電子を円柱の中心付近に閉じ込めるようにした。ゲート電極に−1V程度の電圧を加えると、人工原子中の電子の居場所を、直径約30nm、高さ10nmとさらに極小の領域に限定できる。そのため、たった1個の電子だけを閉じ込めることができる半導体人工分子素子を作製することができた。

この半導体人工分子素子を、0.1ケルビンの極低温の環境下で、最大15テスラの磁場を発生するコイルの中に設置。一定磁場の条件のもと、ソース・ドレイン電極間に数十mVの電圧を加えて、ソース電極から透過した電子が、2つの人工原子の上向きスピン準位や下向きスピン準位を透過して、ドレイン電極まで到達する電流の様子を測定した。

積層構造を円柱状に切り出し、ゲート電極をつけた人工分子素子。上:試料の光学顕微鏡写真(左)と電子顕微鏡写真(右)。中央に見えるのが直径500nm の円柱。実際にはそこから幅200nmの補強梁が2方向(右上と左下方向)に伸びている。図右の左上から右下に伸びる明るい部分はゲート電極。下:人工分子素子の模式図。

積層構造を円柱状に切り出し、ゲート電極をつけた人工分子素子。上:試料の光学顕微鏡写真(左)と電子顕微鏡写真(右)。中央に見えるのが直径500nm の円柱。実際にはそこから幅200nmの補強梁が2方向(右上と左下方向)に伸びている。図右の左上から右下に伸びる明るい部分はゲート電極。下:人工分子素子の模式図。

2つの人工原子には、それぞれ1つのエネルギー軌道準位があり、ソース・ドレイン電極間に加える電圧を変化させて、各人工原子の軌道準位のエネルギーを相対的に調整することができる。磁場の無い状態では、ある特定のソース・ドレイン電圧で、各人工原子の軌道準位のエネルギーが一致するため、電流のピークを1つだけ測定できる。

 磁場がない場合の素子のエネルギー図と電流・電圧特性の模式図。2つの人工原子の軌道準位がちょうどそろうとき、電子がソース電極からドレイン電極に移動できる。このとき、素子の電流・電圧特性に電流のピークが現れる。

磁場がない場合の素子のエネルギー図と電流・電圧特性の模式図。2つの人工原子の軌道準位がちょうどそろうとき、電子がソース電極からドレイン電極に移動できる。このとき、素子の電流・電圧特性に電流のピークが現れる。

これはソース電極から絶縁膜を通ってInGaAs人工原子へ透過した電子が、そのスピンの向きに関係なく、次のGaAs人工原子へ透過し、最後はドレイン電極へ到達したことを意味する。一方、磁場を印加した状態でこの測定を行うと、このような電流が流れないことが分かった。

そこで、電流の磁場依存性を測定し数値シミュレーションと比較したところ、興味深い現象が起こっていたという。

磁場を加えると、人工原子の各軌道準位が異なる大きさに分裂して、上向きスピン準位、下向きスピン準位を持つ。このとき、各人工原子のg因子の値が違うため、ソース・ドレイン電極間に加える電圧を変化させて、例えば下向きスピン準位を一致させても上向きスピン準位は一致しない。同様に、上向きスピン準位を一致させても、下向きスピン準位は一致しない。すなわち、電子が持つ上下2つの向きのスピンのうち、前者は下向きスピンの電子だけ、後者は上向きスピンの電子だけしか通り抜けることができない。

しかし、ソース電極からは、上下どちらかの向きのスピンを持つ電子がランダムに透過する。下向きスピン準位が一致した状態で、もし下向きスピンの電子が透過すれば、その電子は透過してドレイン電極まで到達するが、ひとたび上向きスピンの電子が透過すると、上向きスピン準位の不一致により、その電子は次のGaAs人工原子へ透過することができず、InGaAs人工原子内に捕獲される。人工原子内には1個の電子しか占有できない。そのため、次の電子がソース電極から透過しようとしても、電子間のクーロン反発により透過することはできない。従って、その後の電子の流れは遮断されたままとなる。

同様に、上向きスピン準位が一致した状態では、ソース電極から下向きスピンの電子が透過すると、その電子はInGaAs人工原子内に捕獲され、電流の流れは遮断される。つまり、透過する電子のスピンの向きに依存して、電子の透過・捕獲が行われるという新しい電流制御現象が現れることを発見した。

磁場を加えた場合の素子のエネルギー図と電流・電圧特性の模式図。磁場を印加すると、人工原子の軌道準位は上向きスピン準位(下側)と下向きスピン準位(上側)に分裂する。ソース・ドレイン電圧を変化させて下向きスピン準位をそろえても(a)、上向き準位がそろわないため、下向きスピンの電子しかドレイン電極まで到達できない。ひとたび上向きスピンの電子がInGaAs人工原子内に捕獲されると、その後の電流は流れなくなる。同様に、上向きスピン準位をそろえても(b)、下向き準位がそろわないため、上向きスピンの電子しかドレイン電極まで到達できない。ひとたび下向きスピンの電子がInGaAs人工原子内に捕獲されると、その後の電流は流れなくなる。

磁場を加えた場合の素子のエネルギー図と電流・電圧特性の模式図。磁場を印加すると、人工原子の軌道準位は上向きスピン準位(下側)と下向きスピン準位(上側)に分裂する。ソース・ドレイン電圧を変化させて下向きスピン準位をそろえても(a)、上向き準位がそろわないため、下向きスピンの電子しかドレイン電極まで到達できない。ひとたび上向きスピンの電子がInGaAs人工原子内に捕獲されると、その後の電流は流れなくなる。同様に、上向きスピン準位をそろえても(b)、下向き準位がそろわないため、上向きスピンの電子しかドレイン電極まで到達できない。ひとたび下向きスピンの電子がInGaAs人工原子内に捕獲されると、その後の電流は流れなくなる。

この研究では、たった電子1個しか占有できないほどの大きさで、異なるg因子を持った個々の人工原子を、空間的に複数並べた系を作ることができた。半導体人工分子素子の電子輸送を明らかにしたことから、将来の半導体スピントロニクスや電子スピンを用いた量子情報処理への応用が期待されるという。


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産総研、脳波で意思伝達する「ニューロコミュニケーター」を開発 2〜3年後に10万円以下で実用化目標

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産総研:脳波計測による意思伝達装置「ニューロコミュニケーター」を開発.

独立行政法人 産業技術総合研究所(産総研)脳神経情報研究部門ニューロテクノロジー研究グループの長谷川良平 研究グループ長は、頭皮上の脳波を測定して脳内意思を解読し、意思伝達を行う装置「ニューロコミュニケーター」を開発したと発表した。

超小型モバイル脳波計と、高速・高精度の脳内意思解読アルゴリズム、さらに効率的な意思伝達アプリケーションを統合した、実用的な「ブレイン-マシン インターフェース(BMI)」システムだとしている。最大500種類以上のメッセージが生成可能で、アバターが人工音声でメッセージを読み上げるという。

筋萎縮性側索硬化症など、発話や書字が困難な重度の運動障害者でも脳活動により意思を伝達できる可能性があり、2〜3年後をめどに10万円以下で実用化を目指す。

「ブレイン-マシン インターフェース(BMI)」とは脳と外部機器との直接入出力を行う技術。BMI技術は、脳機能や身体機能に障害のある患者の治療や、ハンディキャップをもつ人の生活の質を向上させる技術として期待されている。

今回、産総研が開発した「ニューロコミュニケーター」は、頭皮上の脳波を測定し、脳内意思を解読して意思伝達を行うシステムで、認知機能に直接アクセスする「認知型BMI技術」を使って開発された。

このシステムには、以下の3つの「コア技術」があるという。

1つ目は「モバイル脳波計の開発」。携帯電話の半分以下の大きさで、8チャンネルの頭皮上脳波を計測できる超小型無線脳波計だ。BMI実用化を目指す装置としては世界最小レベルであり、かつ将来の量産化を見込んで設計しているという。無線方式でヘッドキャップに直接取り付けることができ、ユーザーの動きを制約せず、ノイズも乗りにくいという。また既存の脳波計は大型で家庭用電源が必要だが、この装置はコイン電池で長時間稼働するため、外出先でも使用可能だという。

モバイル脳波計

モバイル脳波計

2つ目は、「高速・高精度の脳内意思解読アルゴリズム」。従来の同様の脳波で入力するシステムでは、PC画面上に並べて提示される選択肢の属性(明るさや形など)を一瞬だけ変化させることを、擬似ランダムに何度か繰り返し、視覚刺激の変化による「P300 誘発脳波(視覚刺激や聴覚刺激の提示後、300ミリ秒後に出現する陽性の電位変化)」の反応の強さの違いによってユーザーの選択を予測・推測するという手法が多かった。提示回数を増やすと予測精度が高くなるが、時間がかかる。逆に提示回数を少なくすると予測に要する時間が短くなるが、精度が悪くなるという課題があった。

今回のシステムでは、脳内意思決定の時間的変化を定量化するために独自に開発していた「仮想意思決定関数(認知課題1試行ごとの意思決定にかかわる脳内処理過程を推定する関数。脳活動と意思決定の結果との関連を多変量解析の手法を組み合わせて分析し、意思決定がまだなされていない状態から何らかの意思決定がなされるまでの連続的な時間経過を視覚化することが可能だという)」を活用し、高速かつ高精度で予測を行うことに成功した。これまでのところ、1回の選択に2〜3秒という早さで90 %以上の予測精度を実現している。

コア技術の3つ目は、「効率的な意思伝達支援メニュー」。脳活動に着目した従来の意思伝達装置はメッセージの種類が少ないことや、メッセージを作るまでの時間がかかった。産総研ではこの問題を解決するために、少ない操作回数で多様なメッセージを作成することができる「階層的メッセージ生成システム」を開発した。

このシステムではユーザーは、タッチパネル画面に提示された8種類のピクトグラム(非常口や車イスなどさまざまな事象を単純な絵にした絵文字)の中から伝えたいメッセージと関連のあるものを1つ選ぶ作業を3回連続で行う。3つのピクトグラムの組み合わせ(8の3乗)で最大512種類のメッセージを作成することができる。このシステムに、選択肢のピクトグラムを擬似ランダムにフラッシュして「P300脳波」を誘発する機能を付け加えることで、タッチパネル操作だけでなく脳波によっても入力できるようにした。

階層的メッセージ生成システムの例

階層的メッセージ生成システムの例

この3つのコア技術を統合することで実用的なBMIシステムである「ニューロコミュニケーター」を実現したとしている。

平成21年度障害者保健福祉推進事業「障害者自立支援機器等研究開発プロジェクト」の支援を受けて開発したもので、プロジェクトでは、学校法人 日本大学医学部(研究分担者:深谷 親 准教授)と共同で、在宅の障害者や入院患者への臨床応用も検討しているという。また、判別しやすい脳波を誘発する視覚刺激の提示方法に関しても、国立大学法人 豊橋技術科学大学エレクトロニクス先端融合研究センター(研究分担者:南 哲人 特任准教授)と共同で研究を行っているという。

今後は、パーツの選択や製造工程などを見直して最終的には10万円以下(他に要パソコン)の製品として、2〜3年後をめどに実用化を目指す。また開発予定の脳波計および解析システムは、脳波に着目した家庭での健康管理や、教育やスポーツ分野におけるニューロフィードバックシステムの導入、ニューロマーケティング分野におけるフィールド調査の促進など、さまざまな経済効果や新規市場開拓効果が見込まれるとしている。


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