子どもが初めて側転を経験そこにどんな成長がある？

幼児がとくにきっかけもなく、でんぐり返りや側転などを初めてやってみることがよくあります。子どもに限らず大人も、初めてのテニスなのにラケットを上手に使ってボールを打ち返したり、通ったことのない山道を転ばずに歩いたりできます。人は、運動経験が少なかったり不確定な要素の多い状況でも、けっこう身体を動かすことができます。

神野特任准教授は、こうした身体運動ができる理由を、人間が目の前の事実に対して仮説を打ち立てる「アブダクション」と呼ばれる推論のおかげだと考えています。たとえば、幼児が初めて側転をしたのは、誰かが側転をしている姿を見て、人間には側転ができることや手をついて回ることを知ったからかもしれません。しかし、それだけでどうやって回転するのかというメカニズムまではわからないはず。幼児は少しの経験や観察から仮説的にメカニズムを導き出し、自分で検証しているとも考えられます。武道などで伝統的に実践されている、まず教えを守り、そこから自分で工夫して既存の型を破り、自分のスタイルを確立する「守破離」という成長プロセスにも、アブダクションと通じるものがありそうです。

知識や経験といった既知のものを飛び越え、未知のものを推測するアブダクションは、人間の成長の本質とも言えます。神野特任准教授は、アブダクションという概念を手がかかりに、身体運動やスポーツの経験による人間の成長要因についての基礎研究を行っています。

身体運動やスポーツの経験とアブダクションの関係を明らかにすることができれば、子どもの教育やスポーツ指導などへの応用も期待できます。高いところに登るなど向こう見ずな子どもの行動も、安全を十分確保できる環境でなら挑戦を後押ししたほうが成長につながる。そんなポジティブなとらえ方へと変わっていくかもしれません。

保健体育科の模擬授業体験から学生の成長要因を探る

神野特任准教授は、運動やスポーツの経験による人間の成長について、実証的なアプローチも行っています。その一つが、保健体育科の教員をめざす学生たちの模擬授業体験に着目し、何が学生の成長を促すのかを明らかにすることです。

模擬授業に参加する教師役、生徒役、さらに模擬授業を俯瞰的に見ている教員の三者を対象にアンケートをとり、体験の中身に目を向けて成長要因を探っています。継続的な調査によって、体験や学びの積み重ねによる変化や成長のタイミングなどについても分析する予定です。

模擬授業体験を通して学生が成長するための条件とは何か、一方で模擬授業の限界はどこにあるのかを解明。同時に、保健体育科の模擬授業用評価シートの開発も目標にしています。

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外気を取り込む自然換気　
設計した建物でその機能を検証

坂口教授は、大手ゼネコンでさまざまな建築を設計してきました。その経験を活かし、建築計画や設計実習などの科目を通じてこれからの時代にふさわしい設計教育を行っています。中でも「人と環境との調和」をテーマに、自然環境を積極的に取り入れた建築設計や建築環境デザインを追究しています。

特に着目しているのが、外気利用です。自然の風や建築物内外の温度差や圧力差を活かし、外気を取り込む自然換気もその一つです。省エネ効果につながることはもちろん、心理的なリフレッシュ感に加え、新鮮な外気を取り入れて室内のCO₂やウイルスなどを排出することで快適で健康的な環境をつくりだすという点でも注目されています。

ゼネコン時代に担当した大学校舎の設計に導入したのは、階段室型ウインドチムニーです。室内の空気が煙突効果によって階段室を上昇し、上部に設けた排気口から卓越風による誘引効果によって排出される自然換気システムです。大学が立地する香川県高松市は晴れの日が多く、風がよく吹く土地柄であることから、地域の特性を活かす自然換気システムを設計しました。校舎が完成して学生や教職員の皆さまが使用し始めてから、自然換気システムの性能を検証。風洞実験や温熱環境の調査など物理的なアプローチだけでなく、人の行動や快適さの感じ方がどう変化したかなど人間学的な側面からも評価を行い、今後の建築環境デザインに生かすことのできる多くの発見が得られました。

暑い日でも中庭に出たくなるわけは？
屋外空間の有効利用を探求

一方、屋外に人が出ていくことに着目した外気利用の研究も行っています。兵庫県の中高一貫校の校舎建築では、生徒が自由に利用できる屋内ホールを中庭と隣接して計画し、相乗効果で利用を促進するプランを採用しました。この学校でも、温熱環境など物理量の測定に加え、生徒の利用状況や中庭の快適さの感じ方についてアンケート調査を実施。暑い中でも中庭に出ている生徒が意外に多く、しかも快適感が高いといった興味深い結果が得られました。先行研究で示された、人間は自分で環境を選ぶことで、その環境を快適と感じやすくなるという説を実証する結果でした。

本学寝屋川キャンパスのキャンパス広場の利用についても、学生たちと研究を開始しました。商品を手に取って店を出るだけで自動的に支払いが完了する「キャンパスドンキ」1号店や学食、学生ラウンジなどのある校舎に面したキャンパス広場は、バスケットボールコートなどもある癒しと集いの空間です。行動調査やアンケート調査などを通じて、キャンパス広場の果たす役割、隣接する施設との相関関係、キャンパス広場の利用頻度を高める方法など、さまざまな観点から研究を進めています。

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テラヘルツ電磁波の超高感度検出に成功

情報通信においては、情報を送る電磁波の周波数帯域をどれだけ利用できるかで通信速度が決まります。テラヘルツ電磁波は非常に高い周波数を持ち、帯域も広く利用する事が可能なため、次世代の超高速・大容量通信への応用が期待されています。また、X線や光、電波などには無いユニークな特徴を持つことから、イメージングやセンシング、分光などへの応用も期待され、世界中で研究開発が進められています。しかし、テラヘルツ電磁波技術は、現時点では社会にはほとんど普及しておらず、実用化にはいくつかの課題があります。その障壁の一つは、テラヘルツ電磁波を効率良く検出する事が難しい点にあります。

テラヘルツ電磁波は、量子エネルギーが低いため人体などには安全とされていますが、通常の半導体や焦電素子では高感度に検出する事が難しくなります。そこで野竹教授は「非線形光学効果」と呼ばれる現象を活用してテラヘルツ電磁波を光へ変換し、光検出用のセンサで効率良く検出する事に成功しました。この手法では、レーザー光やテラヘルツ電磁波を誘電体に照射することで、結晶内の電子分極が非線形に応答し、テラヘルツ電磁波の情報が転写された新しい別の光が生成されます。これを光センサで検出することで、現在テラヘルツ電磁波の検出に一般的に使われている焦電検出器に比べて、100万倍もの高感度な検出が可能となりました。光のセンサは既に研究開発が進んでおり、市場規模も大きいため、高性能なものが安価に入手可能です。この点も、実用化に向けた大きな利点になっています。

超高速情報通信からイメージングまで
テラヘルツ電磁波の応用研究

開発した超高感度な検出手法を応用して、テラヘルツ電磁波でしか実現できない特殊なイメージング・センシング技術の開発にも取り組んでいます。観測対象から、これまで人類が得ることのできなかった未知の情報を抽出し、認識・理解しようとする研究は新たな情報通信技術の開拓とも言えます。また野竹教授の研究では非線形光学現象を応用していますが、この現象を用いることで、量子もつれ状態にある光子対を生成することも可能です。量子もつれ光子対を利用することで、絶対に盗聴不可能な究極のセキュリティを有する「量子通信」と呼ばれる最先端情報通信技術の開発にも繋がります。

これらさまざまな情報通信技術の研究に、通信工学科の学生とともに取り組んでいます。

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脳の機能を活用した「アバター療法」で
メタバース空間でのリハビリテーションを実現

松居准教授が取り組んでいるのは、メタバース空間でのリハビリテーションを目指した「アバター療法」の研究です。この研究では、筋電図をインターフェースとして用い、メタバース空間で自分自身の身体と異なる特性を持つのアバターを操作する新たな手法を取り入れています。「Physio avatar（フィジオアバター）EB」と名付けられたこの技術の核となるのは、脳の機能を逆手に取ったリハビリテーション効果です。例えば、脳卒中で麻痺した患者でも、脳が「動かそう」と送る微弱な筋電図をアバターの動きに変換することで、「動く」という体験が得られます。動けない人が動くという体験は脳の「強化学習」につながり、神経回路の再構築に重要な効果をもたらします。

逆に健常者が「動かしにくいアバター」を操作した場合には、脳が予測した動きと実際の動きの差異を修正する「誤差学習」により、パフォーマンスが向上することが期待されます。

あるいは、自分より足が長いアバターを操作した場合は、足の指先と手先に振動子を装着して触覚フィードバックを与えると、あたかも自分の足が長くなったような錯覚が生じ、この状態で歩くと、足がよく上がるようになる効果が確認されています。

VR技術を活用すれば、場所を選ぶ必要がなくなり、ネットワークを通じて遠隔地のセラピストと共にメタバース空間でリハビリテーションを受けられるようになるでしょう。

電気刺激による身体特性の定式化で
運動器ヒューマンデジタルツインを構築

もう一つの研究の柱は、「運動器ヒューマンデジタルツイン」の実現です。これは人間の身体特性をデジタル空間に再現し、仮想空間上に精巧なコピーを構築する技術です。制御工学の「システム同定」という手法を応用し、電気刺激に対する身体の反応を精密に計測することで、その人固有の運動特性を数理モデルとして定式化します。

健常時にあらかじめ自分の身体特性を測定・保存しておけば、リハビリテーションの目標設定や装具のシミュレーションにも役立てられると考えられています。また、ここで得られる身体特性は筋肉量や脂肪の付き方によって個人差があり「サルコペニア肥満」など、筋肉量が著しく減少する疾患の新たな診断法として活用が期待されています。

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建築中の現場を
地震から守るには

建物は、地震力に対する安全性を確保していなければなりません。したがって、基規準で設計手法や要求性能が定められ、構造計算も厳しく確認されています。一方、建築中の建物については、地震安全性の確認が義務付けられているものの、確認方法は施工者に委ねられているのが現状です。

鉄骨造の建物では、鉄骨部材同士を溶接やボルトで接合をしながら、骨組みをがっちりと組み上げていきます。以前の鉄骨柱の建方は、エレクションピースをスプライスプレートで仮固定した状態で、柱頭に張られたワイヤーを使って位置合わせをするのが一般的でした。近年は、このワイヤーを設置しなくても上下の鉄骨柱を一体化した状態で位置合わせができる建入れ調整治具を用いた鉄骨建方ワイヤーレス工法が主流となっています。守谷教授は、この工法における柱仮設接合部の地震安全性について、新たな評価法を研究しています。

鉄骨建方は、建築中に地震が起こった場合、重大な災害を引き起こす可能性が大きい工程。守谷教授の研究は、より高いレベルの安全性確保につながることが期待されます。

材料・工法・品質・安全・契約・社会環境…
広い視野が求められる建築生産マネジメント

守谷教授は、30年以上、大手ゼネコンで海外を含む数多くの建築プロジェクトに幅広く従事し、建築生産、施工計画、PM、CM、契約・補償、コンクリート材料などに関する専門的な知見を蓄積してきました。本学では建築の最前線で培った問題意識をもとに、建築生産マネジメント分野の研究・教育を展開しています。

建築生産は、設計と施工の連携、施工計画や工程管理、品質管理、安全管理やコスト管理、建築材料、建築技術など幅広い領域を含みます。守谷研究室では、現場施工や工場製作の実態調査と開発・改善などをテーマとする「建築生産技術研究」、建築工事のQCDSE管理全般や生産性向上のための手法や仕組みを検討する「施工計画・管理研究」、さらには建築を取り囲む社会情勢や条件、ニーズ、ステークホルダーの重要性に焦点を当てた「社会環境研究」の3つの柱で活動を進めています。

コンクリートの強度試験に使う試供体の型枠の研究、鉄骨製作の品質・トレーサビリティ管理に寄与するフローチャートの研究、防水工事の保証に関する研究など、幅広い活動を実践。現場の視点を出発点とした研究により、建築生産全体の社会的地位をより向上することを目標としています。

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血液透析時の採血による
患者への負担軽減を目指して

腎臓の機能が低下すると体内の老廃物の排出や水分・電解質の調整がうまくいかず、腎臓の機能である水分調整、尿毒素の除去、血圧調整、エリスロポエチンの生成などができなくなります。透析患者は、週に3回の治療、薬剤の使用によって生命を維持しています。血液透析は、いったん体外に取り出した血液を「ダイアライザー」という人工腎臓機器を用いて浄化し、体内に戻す治療法です。血液透析が適切に行われているかを見て患者の状態を把握するには、血液検査で透析効率や電解質のバランスなどを確認する方法が一般的です。この採血は月に2回ほど行われており、貧血傾向にある患者にとって、大きな負担になっています。

松浦特任講師は9年間、臨床工学技士として透析業務に従事する中でこうした患者の負担を目の当たりにしてきました。負担の大きい採血以外に健康状態を確認できる手立てはないか。この研究は、身近な立場から患者の身体的・精神的負担を深く理解してきた経験が原点となっています。

排液の活用により
リアルタイムで患者の健康状態を把握

松浦特任講師が着目しているのは、血液透析時に出る排液です。排液とは、ダイアライザーの中で血液から除去された余分な水分と老廃物を体外へ排出した液体のことです。排液にはリアルタイムで除去された老廃物や電解質が含まれているため、患者の健康情報が詰まっています。そこで、この排液から透析効率が算出できないかと考え、各物質の光吸収特性の調査や波長と吸収量の関係性の解明を進めています。

現在はビタミンB12の光吸収特性のみが計測できた基礎研究の段階で、今後は尿素窒素やカリウム、リンなどの数値調査を計画しています。患者の健康情報が詰まっている排液を活用することで、リアルタイムで患者の健康状態を把握できる可能性があります。それが実現すれば、患者個々の透析時間・回数の設定が可能になると考えられます。さらには、健康状態に即した治療方針や生活指導も可能になります。まずは数値調査を進めながら、将来的には透析機器に装着できる簡易的な排液モニタリング機器の開発を目指します。

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映像の「自己選択」が課題価値を高め
学習者の概念的理解を促進

映像を使った観察学習において、廣光特任講師は映像の視聴方法や選択方法が学習効果に与える影響に着目した独創的な研究を進めています。スポーツスタッキングの映像を用いた実験では、映像の視聴方法による効果を検証しました。正面から撮影した「二人称的視聴」と背面から撮影した「一人称的視聴」を比較した結果、1日目の学習段階では背面からの視聴が初期値からの向上幅で優れた結果を示しています。しかし、2日目に映像なしで実施した際は、両者の差が縮まることも判明しました。これは運動の習得効果と定着効果が異なるメカニズムを持つことを示唆しています。

また、キータッピング課題を用いた、自己選択群・他者選択群・自己他者選択群の比較検証では、自己選択を含む群が他者選択のみの群よりも良好な成績を示す傾向が見られました。特に注目すべきは、自己選択を少しでも含むことで成績向上の可能性が示されたことです。

さらに、自己選択が学習者の主観的感覚に与える影響を調査した実験では、自己選択した映像の方が理想的なパフォーマンスイメージとの一致度が高く、モチベーションとの間により良好な関係性を示すことが明らかになりました。

脳波測定と瞳孔反応により「自己選択」の
神経科学的メカニズムを解明

この研究の先進性は、行動実験にとどまらず、脳波測定や瞳孔反応などの生理学的指標を用いて学習メカニズムを解明している点にあります。

質の異なる3パターンの映像を用意し、映像速度を変化させた際の反応を測定した実験では、自己選択群は他者選択群と比較して刺激に対する反応時間が長く、回答を誤った際の脳波反応も大きいことが判明しました。これは自己選択した映像に対してより深い思考処理が行われていることを示しています。

特に注目すべきは瞳孔反応の結果です。映像視聴中、自己選択群の方が瞳孔の開きが大きいことが確認されました。この瞳孔拡大は、ノルアドレナリン放出と密接に関係する脳の青斑核と関連しています。青斑核はノルアドレナリンを脳のほぼ全領域に分泌することが知られており、学習時の注意集中や記憶形成に重要な役割を果たします。

これらの生理学的データは、自己選択が単なる心理的満足感を超えて、実際に脳内の情報処理システムに影響し、学習効果を高めている可能性を科学的に裏付けています。今後はTMS（経頭蓋磁気刺激）も活用し、観察学習における映像選択がヒトの行動から中枢処理メカニズムに及ぼす影響をさらに詳細に明らかにしていく予定です。

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ブラウザ上で操作可能なBit Arrowで
教育現場の課題を解決

情報化社会の進展に伴い、小学校では2020年度、中学校では2021年度、そして高等学校では2022年度よりプログラミング学習が必修化されました。しかし教育現場では、さまざまな課題が指摘されています。公立学校はネットワーク環境や使用できるソフトに制限があり、Excelやメモ帳などのような教育用でないソフトを駆使して授業を進めている学校も少なくありません。そうした課題解決のために、長島特任講師らが共同開発したのが、オンラインプログラム環境「Bit Arrow」です。

「Bit Arrow」最大の特徴は、ウェブにアクセスするだけで使用できる点です。教育用に開発されたツールの多くは、パソコン1台ずつにプログラミング言語に対応したソフトやアプリケーションのインストールが必須ですが、「Bit Arrow」は準備段階の負担を完全に排除し、ブラウザ上の動作で完結する環境を実現しました。

さらに、視覚的なわかりやすさも追及しています。プログラムの実行中にエラーが発生した場合は、問題箇所を視覚的に表示し、具体的なメッセージを提示することで自力での問題解決が可能となります。インタラクティブなプログラムも実行でき、数字当てゲームやブロック崩しゲームなどを通じて「遊びながら学べる」環境を構築しています。

つまずき検出技術で実現する
個別最適化された学習支援

40人程度のクラスを一人で指導する教師の負担軽減も重要な課題です。「Bit Arrow」には教師向けのダッシュボード機能があり、プログラムを実行するたびに収集するログの情報を元に、各生徒の学習進捗、エラー発生回数、最後にプログラムを実行してからの経過時間などをリアルタイムで確認できます。

中でも長島特任講師が最も注力しているのは、プログラミング学習における「つまずき」の自動検出技術です。つまずきには大きく2種類あります。一つはエラーメッセージが表示される明確なつまずき、もう一つは、エラーが出なくても思った通りに動かないという潜在的なつまずきです。前者は、システムが自動的にエラーの原因を特定し、適切なアドバイスを提示する仕組みをすでに実装しています。今後の課題は後者の検出で、学習者の行動ログを詳細に分析し、AI技術を活用してつまずきのパターンを特定する研究を進めています。最終的には、つまずいている学習者の本質的な問題をシステムが自動的に検出し、個別にアドバイスできる環境の構築を目指しています。

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誰でも簡単に
プロジェクションマッピングができる!?

映像を立体物に投影するプロジェクションマッピングは、アートやエンターテインメントだけでなく、近年では製造業や教育などさまざまな分野へと用途が広がっています。単に視覚的な演出というだけでなく、空間をメディア化する技術へと進化を遂げています。

プロジェクションマッピングでは、立体物の形に合わせて映像を正確に変形する必要があります。立体物の外に映像がはみ出ないよう外形に合わせて映像を切り出し、さらに、2Dの映像を表面が凸凹した立体に投影してもゆがんだりしないような変形処理が不可欠です。投影する対象が人体や動物、車など自由曲面で構成された立体だと、その変形を画素単位の非常にきめ細かなレベルで行う必要があります。

永野教授はこうした手間のかかる処理を自動化し、誰でも簡単にプロジェクションマッピングができる技術を研究しています。マネキンの胸像に顔の画像を投影する装置・アプリの開発では、10分程度で簡単にプロジェクションマッピングができる自動化システムを実現しました。

また、プロジェクター4台を使って4方向から映像を立体物に投影し、360度から鑑賞できるシステムの開発にも挑戦中です。さらに研究を進め、博物館などで展示物に映像を投影して、ARのように文字や映像の情報をスマートフォンやヘッドマウントディスプレイなしで楽しめるようなシステムの開発をめざしています。

遠隔地から脳血管カテーテル治療ができる　
ロボットシステムの開発

永野教授は、医療現場の問題解決にもチャレンジしています。脳動脈瘤やくも膜下出血など脳血管の病気の治療法として、カテーテルと呼ばれる細い管を血管内に通して治療する脳血管内治療があります。開頭手術に比べて患者の負担が少ないため、近年、急速に発展しています。一方で、これは脳血管をX線で造影しながら行う長時間にわたることも多い治療で、医師など医療従事者の放射線被ばくリスクが問題になっています。

そこで永野教授は、血管内治療支援ロボットを使ってリモートで治療する、遠隔手術システムの開発に研究を進めています。血管内治療支援ロボットは、術者が操作するジョイスティックの傾きデータをロボットに転送し、そのデータに合わせてガイドワイヤーやカテーテルなどのデバイスを駆動するという仕組みです。デバイスに強い力がかかると血管壁を傷つける可能性があるため、ロボットの力加減のコントロールが不可欠。センサーで測定した力加減を音程の高低に変換して術者にフィードバックし、血管壁にかかる圧力の具合をリアルタイムに把握できるようにしています。

2024年には80キロ離れた地点間で模擬手術を実施し、臨床応用につながるさまざまな成果を上げました。今後は、力加減のフィードバック機能をさらに高め、安全なロボット技術の開発を進めるとともに、Wi-Fi回線、WAN回線による実証を重ね実用化をめざします。

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たった20度の温度差で　
電気をつくる技術とは!？

エネルギーは「違い」によって発生します。温度、圧力、濃度などが違うもの同士の間で、同じ状態になろうと移動する力がエネルギーになります。
安永准教授の研究テーマは、温度の違いから生まれるエネルギー。つまり温度差を使った発電です。中でも注目しているのは、海の表層と深層の温度差を利用した海洋温度差発電です。海面表層の25℃～30℃の海水でも、水深約600ｍになると海水温は5℃～10℃まで低下します。この約20℃という小さな温度差を発電に利用する研究です。
通常、火力や原子力発電では水を循環させて水蒸気の力を利用します。海洋温度差発電は利用する温度差が小さいため、沸騰する温度が低い液体（作動流体）を循環させます。その液体を表層の海水で温めて蒸気にし、その蒸気でタービン/発電機を回して発電します。回転動力となった蒸気は、そのあと深層の海水で冷やされ液に戻ります。このサイクルを繰り返すのが、海洋温度差発電です。

さらに効率よく熱を伝える　
熱交換器を開発

海洋の熱は、太陽熱や風力などと同じように、発電時に温室効果ガスを排出しないため環境にやさしく、半永久的に利用できる持続可能なエネルギーです。一方で、利用できる温度差が小さいため、エネルギー密度が低く、非常に大きな熱交換器が必要という難点があります。そのため、発電量を大きくするには、熱交換器の性能を上げて、コンパクトにする必要があります。このとき問題になってくるのがコストです。海洋温度差発電では、熱交換器内に海水を流すことから、腐食に強いけれども高コストな素材-チタンを使う必要があります。
そこで安永准教授は、熱交換能力を上げるために熱交換器の数（伝熱面積）を増やすのではなく、「伝熱効率」に着目し、熱交換器の効率を高める技術を開発しています。伝熱効率を上げるには、スムーズに流れて効率よく熱が伝わるようにすることが重要です。安永准教授は、プレートを何層にも重ねたコンパクトな プレート式熱交換器の形状を研究しています。
また、伝熱プレートの中を流れる海水の流れにも、効率を高めるためのヒントがあります。海水はスムーズに流れるだけでなく、ほどよく乱れて流れることで伝熱効率が高まるのだとか。安永准教授は、技術的には相反する「スムーズな流れ」と「乱れ」のバランスを取り、最も効率よく熱を伝えるプレートの形状や表面加工をシミュレーションと実験の両面から探求しています。

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