京都大学ELCAS(エルキャス)

実施レポート

[基盤コース後期]霊長類学

分野

2018年2月3日

  • 実施場所

    霊長類研究所

  • 当日の講師

    友永 雅己 教授(認知科学研究部門)
    今井 啓雄 准教授(分子細胞研究部門)
    大石 高生 准教授(神経科学研究部門)
    西村 剛 准教授(形態系統研究部門)
    今村 公紀 助教(分子細胞研究部門)
    香田 啓貴 助教(認知科学研究部門)

  • チューター

    西栄 美子、若森 参、上野 瑠惟

  • 実習の内容

    まず、これまで行ってきた実習のうちどのテーマで発表するかを議論させた。その後、受講生が取りまとめた質問事項をもとに参加教員とチューターでディスカッションを行い、それらをふまえて、発表のための資料作成を行った。

  • 発表準備のための資料作成に向けて議論をする
  • 項目をピックアップしてホワイトボードにまとめる

活動を通して学んだこと

  • 第一に、今まで「ヒトとヒト以外の霊長類」という表記ではなく、誤った「ヒトと霊長類」という並列の仕方をしていたことに気付きました。その指摘を先生から頂いた際に合わせて、non-human primate(ヒト以外の霊長類)をさす便利な言葉があるのだと教えていただきました。言葉が存在するという点から、ヒトとヒト以外を区別する事がとても大事にされてきたのだと感じました。恥ずかしい言葉の誤用をしましたが、併せて新たな発見ができた事は大きかったです。
  • 過去に行った実習を振り返ることで、そこからそのとき気づかなかったことに、気づくことができました。例えば、短期記憶の実験では、グラフから、チンパンジーは最後の2問を間違えやすいとわかりました。それは、最後まで記憶がもたないからだそうです。私たち人間は逆に正答率があがるので、おもしろいなと思いました。生物の実験は他の実験と違って、例外も多く存在するので、そこがおもしろいなと改めて思いました。
  • 今までに実習を担当していただいた先生方の多くに話を聞くことができ、霊長類学とはいってもそれを研究に用いるのか、そのものを研究するのかなど様々な視点、考え方から研究を行われていて、それぞれの先生方によって霊長類に対する見方が全然違うということが分かった。特に"ヒトはヒト以外の霊長類となんら変わりない、逆に言いかえれば全部違う。他の生物も1個1個が全部違って、だからヒトが特別に違うわけではない"という話が印象的だった。
  • 改めて大切だと実感したのは、議論というか雑談というか、そういうコミュニケーションである。集まってくださった先生方に受講生が質問をしているうちに、とても盛り上がった。例えば人間と人間以外の霊長類の隔たりについても意見が少しずつ違い、興味深かったり、先生同士も他の分野の専門の話を聞いていらっしゃったりした。これは霊長研に化学から心理学まで様々な分野があるからこそのことだと思う。そういった異なる興味や専門の人同士が対話するのは、会話が思いもよらない面白い方向に進むという点で、とても有益なことだろう。私は友達と毎日雑談している。そして少し込み入ったテーマの話題を共に楽しんでいる。例えば先週は、鏡を見たときになぜ左右が反転してみえるか、ということ。勿論何の知識もない高校生の雑談レベルなので、完璧な答えに行き着くことはないが、それでも自分が思いつかないような様々な考えがあって面白い。議論などときくと多くの人は堅くなってしまいそうだが、根本は雑談と同じなのかも知れない。
  • まとめとしてこれまで関わった全ての先生方、TAの方々が来て下さった。質問の時間に霊長類とヒトの一番の違いについて、全ての先生に尋ねてみると、生物学系の先生からは「全ての動物は同じように全て異なっている」という回答が来たり、言語学系の先生からは「言語が使えるかどうか」という回答が来たりと様々な意見が聞くととができた。同じ分野の研究をしていても、専門分野によって様々な考え方があることが分かり、面白いと思った。また、発表のテーマをチンパンジーの系列記憶についてに決めた。次回までに、しっかりデータの分析をして、良い発表ができるようにしたい。

2018年1月20日

  • 実施場所

    霊長類研究所 特別会議室

  • 当日の講師

    大石 高生 准教授(霊長類研究所 神経科学研究部門 統合脳システム分野)

  • チューター

    上野 瑠惟

  • 実習の内容

    筋肉の活動を電気的に計測する筋電計を電子工作により自作した。また、その筋電計を用いてさまざまな条件で自分の筋活動を計測した。これにより、興奮性細胞であるニューロンや筋肉の働き、脳の機能について考察した。霊長類の脳標本、霊長類を含む哺乳類の頭骨標本を観察することにより、脳の構造の概要および頭部の機能と形態との関連を考察した。

  • 筋電計を電子工作で自作しているところ
  • 自作の筋電計で筋活動に伴う電気活動を計測しているところ
  • ヒト、各種類人猿、トラ、ウサギなどの頭骨(やレプリカ)の解説を聞いているところ

活動を通して学んだこと

  • オシロスコープを使って自分の筋肉内を流れる電気信号を観察した。実験のための装置も自分で作り、実際に手首を動かしたり力を入れたりしたときにどこの筋肉にどのくらいの強さの電気信号が流れるのかをみた。自分の体内で知らぬ間に起こる目に見えない変化が目で見えるグラフという形で表されており、不思議な気持ちになった。また、この電気信号を使うことで、機械にも人間と似たような動きをさせることができるらしい。そのことを実験する装置も持って来て下さっていたのだが、うまく動かず、結局見れずじまいだったので、ぜひ、その装置も自分で作ってみたいと思った。 また、さまざまな動物の頭蓋骨を比較したり、本物のサルの脳みそに触れてみたりもした。高校では絶対に見れないようなものを見ることができた。
  • 霊長類の脳を学ぶというテーマでしたが、「霊長類は体に対する脳の割合が大きい。ヒトはさらに大きい」という単純な話ではありませんでした。生体電気信号の仕組みや、頭蓋骨の“霊長類とその他の種”という種間比較を通して、脳は複雑で様々な役割を果たしていることを、何となくの常識ではなく科学的な視点で見つめることができました。霊長類の空間把握などの脳機能は他種より優れていると分かった一方、「脳機能が優れていない動物は体の動きで記憶する」という話を聞きました。イヌなどは体を動かす方向によって、餌が置かれている位置を記憶する事があるそうです。人間が老いなどにより脳機能が低下した場合、「メモをとる」ことをします。記憶を体でなく道具に託すのは、自らの能力を退化させ得る行為だと思います。ヒトは社会の形成で「生き延びること」を第一に考える必要がなくなり、それがヒトの発達に大きくかかわったのだろうと感じました。
  • 主に電子回路を組み立てて筋肉の電気信号をオシロスコープに表せる装置をつくった。半年ほど前、スーパープレゼンテーションというテレビ番組を見ていてちょうど同じ内容について聞いたのを思い出した。脳科学の研究者による、脳科学をもっと身近にしようという趣旨のプレゼンであり、ちょうど今回組み立てたような簡単な筋電計を紹介していた。しかし簡単だとは言うものの、そのときの自分にはテレビの中の遠い存在であったので、今回実習して少し感動した。というわけで今回の実習の最初の数時間は皆で黙々と電線を基板に差し込む作業をやっていたのだが、そのとき印象に残ったのが、仕組みは分からなくてもつくることができる、とおっしゃったことである。正直なところ実際私もあまり仕組みを理解せずに作業していたので情けないが、一方でこれは、研究が多くの人の積み重ねで成り立っているということをよく表しているとも捉えられる。つまり、脳のしくみを調べることだけでなく、調べる技術の研究も脳科学には必要なのである。当たり前のことかも知れないが、改めてそう感じた。

2018年1月6日

  • 実施場所

    霊長類研究所本棟

  • 当日の講師

    今井 啓雄 准教授(霊長類研究所ゲノム細胞研究部門ゲノム進化分野)

  • チューター

    西 栄美子、糸井川 壮大

  • ボランティア

    伯川 美穂

  • 実習の内容

    各自の口腔細胞を綿棒で採取後、sample-to-SNP kitで直接リアルタイムPCRにより以下の遺伝子のSNP解析を行った。
    TAS2R38:苦味受容体の一つで、PAV型とAVI型で苦味物質PTCに対する応答強度が異なる。PAV型が反応型。
    ATCN3:筋肉関連遺伝子で、R型とX型で速筋の付き方が異なる。R型の方が速筋がつきやすいため、短距離走が得意。並行して、PTC試験紙による味覚反応テストと運動能力に関するインタビューを行った。これらの表現型と遺伝子型の対比を遺伝子型判定後に議論した。

  • リアルタイムPCRの結果について、チューターから説明を受けている様子
  • 助言を受けながら、結果についてまとめている様子

活動を通して学んだこと

  • 今回驚いた内容に、「テーマと霊長類研究とのつながり」があります。今までは、テーマ名に「言語」「知性」など、ヒトの特性を示す単語が含まれており、そのテーマに沿ってどのような過程で「ヒトとは何か」を探るのかが予め分かりやすい実習ばかりでした。しかし今回は「食を探る」というテーマで、初め聞いた際、果たしてどのようにヒトと関連付けるのか、他の動物学と同じでは無いのかと疑問に思いました。ですが、「ヒトに比べ周囲の食物環境が十分でないサルは、味覚遺伝子に関する淘汰が起こりやすい」という話を聞き、思いがけない形で食と霊長類研究がつながっていると驚きました。「ヒトを探る」と一口に言っても様々なアプローチがあり、それは遺伝子が限りなくヒトに近い霊長類を通じてこそ可能なのだと納得しました。
  • 遺伝子情報をたった1時間ほどで解析することができるということに感動したとともに、これによって性格や考え方の傾向などまで分かってしまうのだと思うと軽い恐怖を覚えた。今回は苦味と運動能力についてデータを取った。私は遺伝子から出た結果どうりであると感じたが、データと自分の感じ方が違う人もいて、デザインベイビーなどがいる今もちろん遺伝子の操作は直接望んだ能力をあげることを可能にするかもしれないが、それと同じくらいかそれ以上にそこからどういった環境の中でどういった経験をしていくのかということがとても重要になってくるのではないかと思った。
  • 遺伝子の違いについて研究させてもらった。身長などの遺伝子の違いなどは知っていたが、苦さの感じ方の違いも遺伝子が関わっているとは初めて知った。また、運動能力についての遺伝子も自分は短距離と長距離どちらが得意なのか、PCRを使ってみることができた。
  • おのおののDNAを調べ、味覚(PTCに対する苦味受容体)・運動神経に関わるとされる遺伝子についてそれぞれ型を特定した。どちらも耳にしたことがあり、自分の遺伝子を知れること自体が面白かった。さらに霊長類と遺伝子とを結びつけて考えると、進化がどのようにして起こるか、というのが大きな研究のテーマの一つとなるだろう。進化は自然淘汰などにより少しずつすすんでいくが、それのみでは現在までの進化のスピードが説明できない。突然変異も関わっているのではないか。というように聞いたことがある。そうして振り返って調べてみたところ、PTCの苦味受容体に関わる遺伝子は変異が起こりやすいという。PTCの苦味を感じないのは突然変異の一種なのに、日本人では10%前後、白人は30%と高い割合なのは興味深い。これは進化が突然変異によりおこるのも納得できるかもしれない。
  • 実際に自分たちの遺伝子を取り出して増殖し、特定の遺伝子の有無について調べた。事前には、試験紙をなめて苦みを感じるかどうかや自らの運動の出来不出来によって遺伝子型を予想し、実験の結果と照合した。私の結果は予想とほぼ一致するものとなり、遺伝子と自分の関連の深さを体感した。しかし、人によっては予想と結果が異なる人もおり、その違いはどうして出るのかということを疑問に思った。子供の特徴を決定するのは遺伝子か生育環境かとよく言われる通り、環境によっても変わるのかもしれないが、実際の所はどうなのかを調べてみたい。
  • 味覚と運動能力という面から遺伝子を見てみました。試験紙を舐めてみて苦いと感じる人と感じない人がいて、その違いは苦味遺伝子の違いだというものでした。私は苦いと感じたのですが、結果はヘテロでした。苦味の受容体は25種類もあり、甘味の受容体の1種に比べて遥かに多いので人は苦味に大しては敏感なのかなと思いました。運動能力については遺伝子を見ることでその人が秘めている可能性がわかるとのことでこの技術を活用してアスリートの育成に役立てるのは合理的な方法だと思いました。

2017年12月16日

  • 実施場所

    霊長類研究所

  • 当日の講師

    友永 雅己 教授(思考言語分野)

  • チューター

    川口 ゆり、瀧山 拓哉

  • 実習の内容

    スカイラボと呼ばれる設備において、チンパンジー4個体を対象に、アラビア数字の系列の学習課題を複数の条件で実施した。こののち、普段チンパンジーが実験を行っているブース内において参加生徒および教員、チューターの計9名がチンパンジーと同様の実験を行いデータを取得した。 実験終了後、別室において、エクセルを用いたデータの分析の仕方について指導した。データは各自持ち帰り、後日、教員からさらなる分析の手順等の指示をメールにて送付した。

  • スカイラボでの実験の様子
  • スカイラボでの実験の様子
  • スカイラボでの実験の様子
  • スカイラボでの実験の様子

活動を通して学んだこと

  • チンパンジーを近くで観察でき、また実験できたので、その生態についてよくわかった。自分たち自身も被験者となってチンパンジーと同じ条件で実験をすることで、チンパンジーと人間の違いなどたくさん気づけた。
  • チンパンジーとヒトで同じ条件で出てきた数字を順番にタップする実験を行い、その結果に基づく分析をしました。これまでの活動は実験することが主で、実験からその結果の分析までを行うのは今回が初めてでした。今回の活動から、研究では自分の興味のある所を自分の考えた方法で好きなように調べることができることを実感しました。今日は先生が分析の方法をその場でいくつか考え、皆でプログラムを書いて検証したのですが、1つの結果からだけでも正答率や回答までにかかる時間、何番目の数字の正答率が悪いかなど様々な側面から分析することができました。他にも、数字の配置による正答率の違いなども分析でき、さらにヒトの結果とチンパンジーの結果を比べることでチンパンジーから人間に進化する過程でどのように認知機能が変化したのかを知ることができます。結果のデータさえあれば、自分の思いつく限りの様々な事を分析できるのです。 今回の実験データはUSBメモリーに入っているので家でも自分で分析を進めて行きたいです。
  • 実際にチンパンジーとヒト(つまり受講生)が被験者になり、数字を選んでいく行動を記録した。数字の個数、順序、隠すかどうかなど、すこしずつ条件を変えて6回ほど実験をした。訓練効果を相殺して客観的なデータを集める方法や、言葉の通じないチンパンジーにどうやって被験してもらうのかなどを具体的に学んだ。最後に皆で実験結果を分析したり議論したりしたのだが、これが非常に盛り上がって興味深かった。数字をぱっとみて覚えて選んでいくとき、写真のように覚える映像記憶を使っているのか、それとも作業記憶、ワーキングメモリを使っているのか。チンパンジーは自然下でその能力を何に使っているのか。実際に被験して思うこともあり、面白いと感じた。こういった思考の研究は、研究方法が技術的に実現できるかというよりは、既存の技術をどう組み合わせるかが思いつくかにかかっているのだと思う。否、他の分野もそうなのかも知れない。
  • 実際に自分がチンパンジーと同じ立場にたって実際をするのは初めてのことで、思っていた以上に受ける側は大変だと思ったし、集中力をいかに保てる状態かというのがパフォーマンスに大きな影響を与えるということが分かった。チンパンジーは人間とは違うため調べたいことを調べるのはとても難しいけれど、様々なアプローチの仕方があって興味深いと感じた。
  • 何度かテレビで見たことがあったチンパンジーの短期記憶を実際に見ることが出来てとても驚いた。また条件を少し変えて実験を行うことで様々な仮説が立てられるようになるのも面白いと思った。結局、チンパンジーは映像で記憶しているのかひとつひとつを見て記憶しているのか、とても知りたい。
  • 今回はタッチパネルを用いて、チンパンジーを被験者とした実習を行いました。私の担当した子はせっかちな性格のようで、パネルが反応しない内に次の作業に移って失敗する、といった様子も見受けられました。他の多くの理系学問と異なり、「被験者の性格」という数字で表しにくい要素をふまえたデータ解析を要するところが、霊長類学の難しい所であり、また面白みの一つだと感じました。

2017年12月2日

  • 実施場所

    霊長類研究所 大会議室・406号室

  • 当日の講師

    西村 剛 准教授(霊長類研究所 系統発生分野)

  • チューター

    若森 参

  • 実習の内容

    骨のかたちと機能を理解するための骨格標本の組み立てとスケッチの実習と、化石研究に必要である標本の模型作成実習を行った。見本となる組み立て済みの骨格と教科書を手本として、ばらばらの骨格標本から、各骨の部位と左右を同定し並べていく。部位によって異なる形態を頼りに同定していくが、適宜、その形態のもつ機能的意義を解説し、機能形態の理解とそれに基づく同定する目をもつことを目的とした。つぎに、各自、骨を選んでスケッチを行った。スケッチを行うことで、自らが見出している形態学的特徴と、見えているのに見出し得なかった特徴を理解することができる。適宜、解説を加えて、それぞれの形態学的特徴の意味の解説を行った。模型作成実習では、サルの歯の模型を作成した。印象材で型をとり、その型に樹脂を入れて模型を作成する一連の作業を実習した。これを通じて、化石を含む形態学的研究の手法、見方、得られるデータの機能的解釈などを体験することができた。

  • 骨格標本の組み立てにチャレンジ
  • 骨格標本のスケッチ
  • 骨格標本から型(モールド)を取っている

活動を通して学んだこと

  • 骨の組み立ては、骨の知識も必要であるが、それだけではなくて、構成能力も必要になってくるのだなと感じた。結構難しくて、先生に何度も教えてもらいながらしたが、骨がきちんと組み立てられて、自然に骨の構造がわかることができた。
  • サルを骨を使って観察しました。実際にワオキツネザルの骨の標本を組み立ててみたのですが、思ったよりも難しかったです。組み立てる時は関節の連結と体の左右に注意します。関節を実際に作って動かすとどこの関節をどのように使って体を動かすかがよく分かりました。また、骨を見たり触ったりすることで、サルが病気にかかっていたかどうかや筋肉がどこについていたかも分かりました。これまでは骨からは体の概形しか分からないと思っていたので体の内側のことについても分かると知り驚きました。 また、サルの骨をたくさん集めた資料室を見学することもできました。10000以上もの個体の骨が管理されているそうです。こんなに骨を集める理由について「今使う人がいなくても、将来の研究者のために集め続けている」とおっしゃっていて、未来のことまで考えているのだな感心すると同時に自分は将来自然科学の発展に貢献するであろう骨を実際に見て学んでいるのだと思って興奮しました。そして、私も将来の発展に貢献する一人になりたいと思いました。
  • パタスモンキーの骨を組み立て、仙骨と大腿骨をスケッチした。スケッチは、自分に何が見えているかを他人に伝えるためだということを学んだ。骨の表面は、関節として滑りやすく出来ている部位と筋肉が張り付くために粗くなっている部位とがあり、その境界に沿って線を入れるのが大切である。 また、今回の実習では出来なかったが、骨の形を調べることで食性や歩き方などもわかるという。私の担当したパタスモンキーは、他の班員のものよりも手足が長く頑丈だと感じた。そして今インターネットで調べているのだが、パタスモンキーはサル目の仲間のうちで走行スピードが最も速いらしい。つながった。こういう風に研究しているのか、と追体験しているようでとても興味深い。 その後、歯のキャスト・モールドを作った。つまりレプリカである。歯医者で私もやったことがある。作っていて思い出したのだが、比較的新しい化石だと歯に歯石がついていて、食べ物を特定できる、と聞いたこともある。 骨を調べる利点は、静的であるためデータが集めやすく、扱いやすいということだと思った。
  • 今回の実習ではサルの骨格標本に触れるなど、霊長類研究者のイメージに近い活動が多かったです。私が骨格組み立てを行った個体は関節が大きく曲がっていたのですが、それは種の特徴ではなく、生前の病気の為だという事を教えて頂きました。「形態学において、見つかった標本の特徴が、個体に限ったことなのか、種全体に見られることなのか見極めることが大切」と聞きました。膨大なデータから必要な要素を見付けて、また他と比較する視野の広さが大切だと実感する事ができました。

2017年11月18日

  • 実施場所

    霊長類研究所

  • 当日の講師

    今村 公紀 助教(ゲノム進化分野)

  • チューター

    黒木 康太、岡田 佐和子、仲井 理沙子

  • ボランティア

    北島 龍之介

  • 実習の内容

    実習ではチンパンジーおよびニホンザルのiPS細胞の免疫染色とアルカリホスファターゼ(AP)染色、レクチン染色を実施した。高校生を3チーム(3名、2名、2名)に分け、各チームにチューター1名がつきつつ、ボランティア学生と今村の2名で全体を監督する体制をとった。実験前に簡単な座学で実習内容の説明を行ったが、各チームにおいて実験中に随時補足説明や質問に答える形をとることで、高校生全員が実験の内容と意味を理解できていたように思われる。免疫染色、AP染色共に、各自異なる結果が出るように実験サンプルを用意し、実験終了後には全員の結果を照らし合わせて総合的な考察を行った。

  • 実験開始前の座学
  • 実験の様子①
  • 実験の様子②

活動を通して学んだこと

  • 実験がほとんどで、実験から学んだことが多かった。例えば、今まで私がしてきた実験は、大雑把にしてしまったこともあったが、少し量が違うだけで、実験結果が大きく変わってしまうこともあるのだと学んだ。実験では、皆それぞれ違う結果が出て、たくさん議論をすることができた。
  • これまでの霊長類学の講義は霊長類と直に向き合いヒトと行動の仕方などを比較することで進化の仕組みを探るというものだったが、今回の活動では神経や遺伝子といったミクロな視点で霊長類とヒトを比較することに関する講義を受け、実際に霊長類のiPS細胞を染色する実験を行った。霊長類学といえばフィールドワークという固定観念を持っていた私は研究室に入って実験できるとは思ってもいなかったのでワクワクした。 また、先生がチンパンジーはほとんどアルツハイマー病にならない理由をヒトとチンパンジーの神経のiPS細胞を比較することで探っていると話しているのを聞いて、基盤コース前期の「科学的手法に基づくアルツハイマーの新しい予防戦略」という講演を思い出した。同じアルツハイマー病になる仕組みを解明するための研究でも、原因物質を化学的に分析する手法やかかりにくい霊長類とヒトの違いを調べる手法など色々な方法で行われていることが分かった。 同じ学問名であっても様々な研究手法があることや同じ目標に向けて様々な分野からのアプローチができることを知り、研究の自由さを感じ自分の考えに柔軟性を持たせたいと思った。
  • iPS細胞はとても有名でよく聞く話題であり、教科書でも取り上げられているにもかかわらず、再生医療以外の、希少動物の保存や、脳のニューロンを作ることによる進化の研究などといった利用方法があることを、今回初めて知った。ヒトと他の霊長類を比較して研究する際、人体の被験や胚などが倫理的課題となるが、細胞という小規模なもので研究をすることで解決される。特にこの利点は、倫理的課題が技術的・短期的な解決が難しいだけに画期的だと感じた。 また、3通りのiPS細胞の染色手法を体験し、未分化の細胞の分布を調べた。ニホンザルのiPS細胞では、皮膚の繊維芽細胞とともに培養したものはそうでないものに比べ、未分化が維持されているという結果だった。このように未分化を保つ手法はヒトやマウスといったメジャーな動物では確立されているが、マイナーな動物ではまだまだだそうだ。 今回は、一つの基礎研究があると非常に多くの応用研究があるのだと感じた。まるで多能性細胞のようである。
  • 昆虫と人間とでは体温が違うため、細胞を培養するときには異なる温度の環境下で管理しなければならない。iPS細胞が医学の発展に貢献していることは知っていたが絶滅危惧種を救うことや人類を知ることにも繋がると知り、iPS細胞の発見は医学界だけではなく生物学界にも大きなしょうげきを与えていたことがわかった。今回、私はAP染色と免疫染色の二つの染色方法を体験した。免疫染色はコストがかかる分どこにiPS細胞を生きたまま見つけることが出来るのに対して、AP染色は安く時間もかからないがiPS細胞を殺してしまうというデメリットがあるそうだ。従って、iPS細胞があるかどうかを確認するという初期段階にはAP染色を、あることが確認できたあとでもっと正確に知りたい時には免疫染色と使い分けている。
  • iPS細胞=医学的利用というイメージがあり、当初「霊長類学でiPS細胞を扱う」と聞いてその関連性が思い付きませんでした。新しいことを発見・開発するのが大切なのはもちろん、既にある技術を新しい分野に広げることが現代で求められている事なのだと感じました。

2017年11月4日

  • 実施場所

    霊長類研究所・大会議室及び第一放餌場

  • 当日の講師

    香田 啓貴 助教(認知科学研究部門 認知学習分野)

  • チューター

    豊田 有、黒木 結花

  • 実習の内容

    実習は、「ニホンザルやその他のサルの顔写真に基づいて、異種であるヒトがどの程度、オトナとコドモと見分けられるのか」、という年齢判断について、見本合わせ課題を作成しデータを取る、という実験を実技した。
    そのための実習内容としては、
    1. 識別をしながら放餌場で写真撮影する。
    2. その写真を刺激として加工する
    3. 事前に教員が準備した見本合わせ課題に、刺激を読み込ませ、自分自身を被験者としてデータを取る。

    写真の加工や整理作業に失敗した学生もいたために、一部実験は十分な検証ができずに失敗してしまったが、なぜ失敗したかの検討を皆で進める中で、写真の加工と整理作業に間違いがあったことも突き止めることができ、研究や実験におけるデータの考え方と問題点の洗い出し、という基礎的な作業ができた。結果的には良い鍛錬になった。実習の最後には、学生の協力と作業の成果として、年齢認知を実施するための実験道具が構築できたので、今後様々なことに応用が可能なものになるという将来性について説明し、終了した。

  • 霊長類学_実習風景写真撮影と観察の様子
  • 霊長類学_実習風景講義の風景
  • 霊長類学_実習風景実際の写真加工の風景

活動を通して学んだこと

  • 猿の観察では、個体の大きさにより、年齢を見分けることができたが、顔だけでは判別は難しいということが、実験からわかった。だか、縦横の並べ方の違いや、猿の種類によっても見分け方の正答率も違ってくると思うので、それについて、もっと調べて見たいと思った。また、個人差が大きく見られたので、それの違いについても知りたいと思った。
  •  今回の活動から「研究」とはどのようなものであるかを学びました。今日の実験の仮説は先生が用意して下さり、それに従って私たちが実験を行う為の道具を先生の補助の下作成し、実際に実験をしました。初めてニホンザルを双眼鏡を使ってアップで見て写真を撮ったのですが、しぐさがとても可愛く癒されました。ニホンザルの写真を撮った後は、パソコンに取り込んで実験に使う為のサルの顔の画像を編集しました。この時にサルの分類を間違えてしまい、後の実験に支障が出てしまいました。少しのミスで研究結果が大きく変わってしまったので研究をするときは細心の注意を払わねばならないことが分かりました。研究というのは日々の地道な作業の積み重ねであるから、根気よくする必要があるのです。今日行った実験は、人間がどのくらいの割合で大人のサルと子供のサルを区別できるかというものでした。実験の後に先生から今日のテーマである言語とは一見関係なさそうな実験と言語との関連性について聞きました。私たち人間は言葉があるから大人ザルと子供ザルを区別するなどの実験の内容をすぐに理解できるがサルは言葉がないため簡単なルールでも習得するのに時間がかかるそうです。普段何気なく使っている言葉が急に重みをもった大切なものに思えてきました。また、今回の実験を通してプログラミングなどのこれまであまり触れたことのなかった分野の勉強も自分の専門分野の研究をするときに使う可能性があるので、してみようと思うようになりました。
  • 今回最も印象的だったのは、言語とは思考能力そのものである、ということである。ニホンザルは、タッチパネルの青く表示される部分を押せば正解だということを言葉ではなく経験で習得するしかなく、また記憶する際にも言語は必要なため、非常に難しい。考えてみれば私たち人間も、幼いころの記憶や感覚などを思い出してみると、随分今と異なっているだろう。それももしかすると言語活動が活発になり、様々なものに名前をつけて理解をすることができるようになったからなのかもしれないと思った。また実習では、研究には専門分野の知識だけではない様々な知識や技術が不可欠だと、改めて痛感した。今回の場合で例をあげると、実験装置を作るためのプログラミングやカメラの技術である。同じように、霊長類学の研究であっても数学や物理が重要だと伺った。自分もそろそろ高校で物理か生物を選択する時期なので、参考にしたい。今回、今まで自分が知らなかった分野を垣間見ることができ新たな疑問がわいてきたと同時に、実際に活躍する研究者の方々の熱意を感じられたことは、大きな収穫である。特に霊長研には、理系ではない言語学を研究していらっしゃる方、海外で一年の大半をサルの観察に費やしていらっしゃる方など幅広く、独創的でかつ熱心で圧倒される。自分もそのような研究者になりたいという単純な憧れと、このような機会の貴重さを改めて感じた。
  • サルと人間は遺伝子的にはすごく近いのに思考の仕方や持ってるであろう概念などが違ってとても興味深いと思った。
  • ニホンザルは日本の気候の場合、夏に1番食べ物が多くなるため、1年で春にしか妊娠、出産しないと決まっていることを知りました。そのため、私が今回実習で見た時のニホンザルは盛りの時期でした。霊長類学というと、このような生物学の中にあるというイメージが強かったのですが、話を聞いていると人間と人間に近い動物を比較してさらに人間のことを知ることができる学問だということが分かりました。また、一概に研究といっても研究するための道具を作るのがとても難しいことだと実際に体験させていただいてわかりました。
  • 「霊長類はヒトと近い存在であり、だからこそ類人猿を通じてヒトを学ぶ事ができる」というのが、前回の前期C群での感想でした。しかし今回の実習中に「サルとヒトの見えている世界が全く違う」という話を聞き、今まで見知ったつもりになっていた霊長類学の世界が、より複雑に感じられるようになりました。分かった気分になったり、性急な判断をしたりすることで、本来の姿を見失う事があるという事を今回学びました。

[基盤コース後期]物理工学

2018年2月3日

  • 実施場所

    桂キャンパス C3棟 b3N07室

  • 当日の講師

    藤本 健治 教授(工学研究科 航空宇宙工学 専攻制御工学分野)

  • 実習の内容

    これまでの実習の内容を報告するためのプレゼンファイルを作成してもらいました。プレゼン資料の作り方の基礎を学び、チームワークを発揮して1つのプレゼン内容を作成するなどの学習を行ってもらいました。プレゼンの練習まで行いたかったのですが、時間の都合で行えませんでした。

  • パソコンを使って資料を作成している様子1
  • パソコンを使って資料を作成している様子2
  • パソコンを使って資料を作成している様子3

活動を通して学んだこと

  • 誰がどの分野を担当するかを争いなく決められ、私も一番担当したい分野を発表することとなり、順調に進んだのではないかと思います。具体的に「金ミラーの作製」の実験についてパワーポイントを作りました。グループは四人ですが、私が一番早くに完成したので全員のUSBをまとめて一つのパワーポイントを作ることができました。英語のプレゼンテーション大会に出場した経験があるので、スライド作りはスムーズにすることができたと思います。グループでまだ完成できていない部分もあるので、私も本番までに家で準備や練習をしたり、発表会の前の時間に完成させるなど発表会には完璧な状態で挑めるようにしたいです。一人でも多くの人に一つでも多くのことを伝えたいです。また、スライドのためのスキャンや手助けをしてくださった先生、ありがとうございました。再来週、エルキャスの集大成となる良い発表ができるよう全力投球したいです。
  • 今までに学んだことを今度はまとめたりして、発表の形にすることで理解が深まった。
  • 今までの実習のまとめでした。次回の成果発表に向けて、実際に自分たちが学んできたことをじっくりと振り返り、それらへの理解を深めることができた良い機会になりました。自分たちが何時間もかけて学んだことをたったの十分程度でまとめるため、わかりやすく伝える難しさを改めて感じました。また、今回の実習では、パワポの使用も上達することができました。今まで使ったことのない機能なども挑戦することができて、将来、仕事をする際の役に立つと思いました。
  • パワーポイントは色合いや図が重要だと知った。以前の実習内容を忘れていたので人前で話すには勉強が必要だなと気づいた。
  • 良いプレゼンの資料を作るためには、時間がかかるということが分かった。また、とても分かりやすい絵などをコンピュータ上で描いている仲間もいて、すごいな、上手だな、と感じた。良いプレゼンをするために、良いpower pointを作りたいと思う。今回の時間内では、つくり終えなかったので、次回までには必ずよいものを作っておきたい。
  • パワーポイントは色合いや図が重要だと知った。以前の実習内容を忘れていたので人前で話すには勉強が必要だなと気づいた。

2018年1月20日

  • 実施場所

    桂キャンパス C3棟講義室5

  • 当日の講師

    宮寺 隆之 准教授(量子物理学研究室)

  • チューター

    濵村 一航、吉川 雅紀、角谷 誠哉

  • 実習の内容

    量子論と古典論の違いを学修する。Popescu-Rohlich boxのシミュレータを用い超量子論の相関が可能とする不思議なプロトコルを体験する。

  • PR-boxを用いたプロトコルをシミュレータで実行しているところ
  • PR-boxを用いたプロトコルをシミュレータで実行しているところ
  • PR-boxを用いたプロトコルの説明図

活動を通して学んだこと

  • 前半の、古典論と量子論との違いの話は、とても面白かった。今、学校等で習っているような物理とは違うものなのだということを理解することができた。後半の、PR-boxを使った実験では、とても理解するのが難しく、そもそも自分が理解しているのかしていないのか分からないのだが、面白いと感じた。ELCAS全体を通して、初めての実験が主体ではない講義だったが、実験しない授業というものはこのようなものなのだ、と知ることができて良かったと思う。
  • 「量子論の基礎と量子情報」というテーマでした。量子論は高校生では全く習わないような分野なので半分楽しみでもあり半分不安でした。でも受付で待ってくださっていた先生から「他の物理工学の人も量子論は知らないと言ってたよ」と聞いて安心しました。いざ実習を受けてみると、量子論は難しいという印象をまず受けて、さらに量子論の概念すらあやふやなまま、実習が進んでいきました。エルキャス初めての授業形式で、初のノートは既に5ページ目に差し掛かろうとしていたとき、転機が訪れました。それはPR-boxを用いたゲームをしてみようというものでした。その前に実習で、[Aliceがa0とa1を持っていてどちらも0か1であるときa1をBobが当てるゲームをするときのことを考えます。遠いところにいるBobには当てる確率は普通に考えて当てずっぽう、つまり1/2の確率しかありません。しかし!Aliceが1bitだけ送ってもよいという条件下でPR-boxを持っているならば完璧に当てることができます。]ということを習いました。それをゲームとして私たちが試してみるのです。一見マジックのようなことを実践してみるのはとても楽しそうだ、と思うのが普段の私だと思います。しかしそこまで概念すらあやふやで来たものですから、ゲームの意味さえも理解できないまま私はAliceチームとして参加することとなりました。そんなとき周りのメンバーは初めに打つべき数字を計算して「1」と求めています。同じ授業を受けているはずなのに、理解にこんなに差が出てしまうのかと歯を食い縛ってゲームに参加していました。気づかぬうちにBobと計算結果が一致してゲーム成功!でした。悔しい。負けず嫌いの気性で15年間生きてきた私にとって、わからないままもう一度ゲームをするのは許されることではありません。モットーの全力投球でなんとかなる話ではありませんが、私はノートとパソコンの画面とを代わる代わる見て、考えて、そしてようやく頭の中に微かな光がともされました。メンバーの思考回路も確実に掴みました。入れるべき数字も求められました。0%から100%まで理解できたこの快感を味わってまさに幸せでした。私の努力は小さいものですが、大きな努力をした人には報いがある、と思いました。大学受験もそうだと改めて感じました。少し脱線してしましましたが、ここで戻ってPR-boxを用いたゲームについて考え方を述べたいと思います。[私たちAliceに与えられた数字はa0=0、a1=1でした。よってPR-box に入れるべき数字はa0⊕a1より1と求められます。(この⊕の記号は習ったもので、情報の世界ではbit計算で0⊕0=0、0⊕1=1、1⊕0=1、1⊕1=0とするそうです)そこでPR -box が1を示したなら、x=a0⊕Aよりx=1です。ここでBobがb=1でPR -box に入れてB=0を得たとき、a1=x⊕Bよりa1=1が出てきてゲーム成功となります。]続いてさらにややこしくしてゲームをしました。PR-boxを3つも使いました。この過程も先ほどと同じなので省略します。ここでは計算がややこしいので計算ミスが起こり、結果が合うことが少し難しくなってしましました。でもPR-boxの凄さに楽しくなってしましました。このゲームをしなかったら私は分からぬまま違う道をさ迷っていたかも知れないと思うと、PR-boxのゲームで遅れを取り戻すことができ、最後の実習で良いことを学べたと思います。 ここで私なりの理想像を考えてみました。PR-boxは現実には存在しないということでしたが、数少ない情報の中当てることができるのは凄いことだと思います。学校の情報の授業でも共通鍵暗号方式やシーザー暗号など習いました。ここでこのPR-boxを用いて情報を相手に少しだけ送るだけで相手に伝えられる、そしてその情報を暗号化できた機密情報など管理できると思います。PR-boxが実在しないのなら、この考えも実現しないのですが。でも最後に習ったことも2009年に提唱されたことで、つい最近なのでこれから量子論も大きく変わることがあると思います。私はこの実習で量子情報などに興味を持ちました。是非また習う機会があればいいなと思います。初めての授業形式で教授の説明も分かりやすくて最後にはさらに理解できて楽しかったです。大学院生の方もゲームの時は丁寧に教えてくださり、理解に大きく繋がりました。ありがとうございました。
  • 今回は量子論について学びました。量子論は数式なども使った少し複雑かつ理論的な話でした。だけれども、1つ1つ過程を辿っていくと、量子論について様々なことが分かりました。また、量子論を体感する、PRBoxという現実には再現不可能なものを再現したものを使ってゲームをしました。量子論は複雑だけれども、うまく使うと少量のbitでたくさんの情報を与えることができて、凄いなと実感しました。まだ、解明されていないこともあり、未知なる世界の広がる夢のある分野だと感じました。
  • 電子の運動を考えたときに古典論(Newton力学と電磁気学)が成り立たないこと。またそのことから量子論の枠組みができたことを知った。また、量子論では確率的な予言しか与えないことを知った。CHSH不等式が成り立たないことから量子力学が見えないパラメータのせいでないことが分かった。また現在、情報理論を用いて量子が議論されたいることを知った。
  • 量子力学は物理の最先端と聞き、難しいものと思っていた。実際に今回の内容は以前の授業よりも理解度は低いが、量子力学を用いて例えば相手の持つ情報を伝えるのにも便利で有用な特性があったりとその利用がとても未来的な分野であると分かった。

2018年1月6日

  • 実施場所

    桂キャンパス Cクラスター C3棟 bB1N02

  • 当日の講師

    蓮尾 昌裕 教授(工学研究科 機械理工学専攻 光工学研究室)

  • チューター

    角谷 仁郎、藤川 祥亘、寺本 達哉

  • 実習の内容

    光が目に見えることや色と光の波長との関係を概説後、実習内容、すなわちイオンスパッタリング装置によるミラーの作製と2重スリットによる光の干渉計測について説明した。一度に実験を行うことのできる人数の関係で、ミラー作製を先に行うグループと干渉計測を先に行うグループに分け、実習を開始した。
    ミラー作製においては、グロー放電プラズマを用いたイオンスパッタリング装置の原理について解説した。その後、実際にスライドガラス表面に金を成膜し、ミラーを作製した。その過程で真空についても体験した。また、成膜にかかる待ち時間を利用して、各種光源のスペクトルを観測し、その性質の違いを体験した。
    干渉計測においては、予め準備もしくは自ら作製したミラーに定規と針を使って2重スリットを切った。スリットを光学顕微鏡で観測し、スリットの間隔を計測した。赤色、緑色、紫色のレーザーポインターの光を2重スリットに入射し、光の干渉を観測した。
    全ての実習を終えた後、各グループで得られた計測結果をもとに、干渉縞の間隔と2重スリットの間隔、光の波長の間に成り立つ法則を考察した。

  • イオンスパッタリング装置によるミラー作製の様子
  • 2重スリットを作製している様子
  • 光の干渉の法則を見つけるために計測結果を検討している様子

活動を通して学んだこと

  • 光とプラズマに関する実習だった。まず初めにプラズマを利用した装置で、金色をしたミラーを作った。この装置は、イオンスパッタリンング装置という名前で、プラズマを用いて上部に取り付けてある金から金イオンを発生させ、そのイオンを下部に取り付けてあるガラス板に付着させることで、そのガラス板が金でコーティングされ、金のミラーになるという仕組みだった。装置から出来上がった金のミラーを取り出したときは少し感動した。最後に教わった公式の存在も驚きだった。全体的に見て、もう少しプラズマ関係の実験をしてみたかったと感じた。また、講義内容が非常に難しく、様々なことが不完全なまま終わってしまい、残念な面もあるが、様々な美しいシーンを観察することができ、とても面白い講義だった。
  • まず初めにプラズマとは何だろうと思ったので実習前に調べてみました。(気体を高温に加熱すると、分子や原子の運動エネルギーが増大して解離や電離が起こり、電子と陽イオンが混在するプラズマ状態になる。プラズマは正の粒子と負の粒子と中性原子から成り立っていて、プラズマ全体では中性である。真空放電をすると放電管内の発光部分にはプラズマが存在する。)私が調べたのはこのような感じでした。プラズマはテレビや空気清浄機などで聞いたことがありましたが、「プラズマ」と調べると、真空放電や加熱という言葉がよく出てきました。そこでプラズマについてさらに興味が湧いてきたところ、今回の実習で真空放電をさせていただいたので私としてはとても嬉しく楽しかったです。 まずは前半に金の鏡を作ることを行いました。真空状態を作ることができる装置(イオンスパッタリング装置)に透明のスライドガラスを入れて15分ほど待ちました。その間に驚くべきことがたくさんありました。まず、蓋が開かないのです。そして真空放電をしている間は何故か薄い赤紫色に光っています。イオンスパッタリング装置から取り出してきたスライドガラスが金メッキされています。しかもとても熱いです。今挙げたもので合計4つの疑問がありました。見たとき感じたときは疑問が私の中で大きく膨らんでいきましたが、教授の方や大学院生の方の説明を受けて、今はもう他者に説明できるほど理解できています。まず、蓋が開かないのは、中が真空状態なため大気が蓋を押しているから。さらに1㎠につき1㎏の力で大気が押しているため、イオンスパッタリング装置の蓋を100㎠と見積もるとおよそ100㎏もの力を蓋が受けていることになります。よって私たちの力では蓋は開けられないのです。次に、真空放電をしている間は薄い赤紫色というのは、先ほど調べたようにプラズマによる光です。なぜ赤紫色かというと、空気中の窒素による色だということを学びました。そして、スライドガラスが金メッキされている理由は、上の方に金がつけられていて、そこが負に帯電して電子が移動して下のスライドガラスに移ったのだとわかりました。最後に、とても熱かったのいうのは、中で電子が移動したり反応が起こった時の熱でした。このように、私の疑問点は綺麗に解決していきました。ここで学んだことは、すべての事象には原因があるということです。この装置を見ているだけでは、光ってて綺麗だなぁとか、金がついてるとか、そういうことだけしか思わないかも知れないけど、それぞれの事象に疑問を持つと、解決したときの嬉しさ、楽しさを感じることができました。これが実験の醍醐味なのだと実感しました。 次に交代して、鏡を削ってスリットを作りました。その鏡を固定してレーザーポインターの光(緑、赤、青)をあてました。初めに、狭い隙間では光は曲がると習ったので、スリットを通ったレーザーは遠くのホワイトボードに達したとき長く伸びていました。習ったことを目で確かめることができました。その長さを測り、ひたすらデータとして書いていきました。その時、ノギスという定規を用いて測ったのですが、興味が湧いてきたのであとで調べました。ここで初めて使って0.05㎜まで測ることができると知って、とても驚きました。顕微鏡などを使わない限り、人間の目では、1㎜以下は測ることが不可能に近いと勝手に思っていたからです。個人的にマイクロ、ナノレベルの極微小の世界に興味があったので、この道具に感動させられました。最終的にこの数値は、x(暗線間隔)、λ(レーザーポインターの波長)、L(ホワイトボードまでの距離)、d(スリットの間隔)を用いて、dxとLλが比例することがわかりました。ただ並べていただけだけど、その数値には意味があるのだと学びました。 最後に、私の常識を覆されて最も印象深いことについて書きます。教授の方が緑と赤のレーザーポインターを壁に照らされて、どっちが明るいかというクイズでした。緑は非常に眩しいほどで、赤はあまり眩しくはありませんでした。よって必然的に答えは緑…と思い、簡単だからこれは引っかけなのかと思いつつも、やや自信満々に緑に手を挙げました。しかし、答えは緑でも赤でもない、両方同じだったのです!これには驚いてしまいました。アインシュタインの格言、「常識とは18歳までに身につけた偏見のコレクションのことをいう。」という言葉の意味がわかったような気がします。なぜ緑の方が明るく見えたのかというと、分光視感効率が緑の方が高いからです。私たちはより緑を感じやすいということです。これを応用して、LEDは分光視感効率の高いところを用いて、熱を殆ど出さずに光ることができるのだと学びました。ここで私なりの意見、あくまで理想像ですが、考えてみました。眼科などで視力検査をする度に視力の衰えを感じて嫌になりますが、この分光視感効率を利用して、目の悪い人、盲目の人でも光で何か感じることができたらいいと思いました。例えば画面から緑を多くだすと目は緑の光に敏感なため、危険を表し、赤や青の光は他の何かの役割を担うなど、分光視感効率を用いたらどうなるのだろうかと思いました。最近はレーシックなど発達していますが、光を感じるのは視力ではないと思うので、何かに利用できたらいいと思いました。今の意見は個人的に医療に興味があるので医療に結びつけてみました。そんな私にとって、胃カメラの仕組みを聞いたときも、とても感動しました!
  • 今回は、自ら書記やまとめ役を買って出たりと、かなり積極的に活動をすることができたので良かった。
  • まず、金メッキをしました。プラズマによる雷で金をガラス板につけました。金が濃く移ったところは綺麗な鏡になり、薄いところはガラスの奥が薄らと見えました。その境目に写る景色が不思議な感じでした。また、様々な光の色の識別を見ました。LEDは綺麗に虹色が見えて感動しました。普段見慣れているものの光の構成が分かり、楽しかったです。さらに金メッキしたガラスに傷をつけ、光の波についての法則を考えました。実験結果と、シュミレーションによる感覚をもとにみんなで様々な意見を出し合い、ひとつの答えを導き出すことは、大変だったけれどやりがいがありました。
  • 自分が今までに学習していて覚えているような公式でも、実際に実験を行ってその結果を基にして導きだすのはとても大変だった。
    また、様々な機械や器具を実際に使って実験を行うことが出来て、とても貴重な経験になった。
  • 自分でスリットを作り光の干渉を実験した。ステンドグラスにイオンスパッタリング装置で金属膜をつけた。ステンドグラスにつける金属に金を用いるのにはほかの金属ではステンドグラスにつきにくいからだと聞いた。金を薄くはったステンドグラスを通して蛍光灯の光を見ると青く見えた。
  • 光の波長や干渉に関する公式を一から発見するのはとても難しく、実際に間違えた公式につながってしまったが、実験の材料を自分で作りそこから考えるのはとても楽しかったし正しい公式に代入すると結果が1.00と出たのはとてもきれいで感動的だった。

2017年12月16日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 物理系校舎

  • 当日の講師

    宇田 哲也 教授(工学研究科 材料工学専攻 表面処理工学研究室)
    谷ノ内 勇樹 特定准教授(工学研究科 材料工学専攻 非鉄製錬学講座)
    岸本 章宏 特定助教(工学研究科 材料工学専攻 非鉄製錬学講座)

  • チューター

    服部 和樹、久野 健治

  • 実習の内容

    非鉄金属製錬所が資源循環・都市鉱山リサイクルに果たす役割について講義をしたのち、製錬所で実際に行われている銅の電解精製、貴金属の溶媒抽出を題材として実習とメカニズムの議論を行った。
    事前講義:現代社会を支える製錬学
    実習①:銅の電解精製(電気分解を用いた銅の高純度化を通して、電気化学反応とその工業利用を学ぶ)
    実習②:金の溶媒抽出(溶媒抽出を利用した金とパラジウムの分離実験を通じて、元素の特徴や最先端の分離技術を学ぶ)
    実習中には「仮説の構築とその検証」を主体的に行ってもらった。

  • 銅の電解精製実験
  • 金とパラジウムの分離実験

活動を通して学んだこと

  • 私がエルキャスの応募の時に物理工学を第一希望に選んだ理由は、この「金・銀・銅を作ろう!」のテーマが魅力的だったからと言っても過言ではありません。金・銀・銅という言わばエリートな部類の金属に憧れがあった、というのもありますが、一番の理由はそこではありませんでした。金・銀・銅は自然に埋まっているというイメージがあるので、そんな金属を「作る」という言葉に違和感を覚え、そこに興味があったのからなのです。私は金属をたくさん挙げてと言われたら金・銀・銅をまず思い浮かべますが、世の中にはもっとたくさんの種類があります。レアメタル、これは資源が少なかったり、資源の枯渇が心配されている金属のことです。Au(金),Pt(プラチナ),Pd(パラジウム)は資源がもともと少ないのでレアメタルの一つです。そこで私はパラジウムという名前を初めて耳にしました。准教授の方のお話によるとロシアでしかとれない金属のようです。また、亜鉛や銅などの元素は資源の枯渇が問題となっています。銅は十円玉や銅メダルや導線でも見るのでレアメタルのイメージは一切ありませんでした。しかし、亜鉛は自動車のメッキとして、銅は様々な用途に使われているので量に限界があります。亜鉛が私たちの身の回りに使われていると思ったことはあまりなかったのですが、自動車のメッキに使うということは、かなりの量が必要になってくることがわかります。行く行くは自然破壊へと繋がる金属の採取を少しでも減らすべく使用済みの携帯電話などを用いてリサイクルして社会に貢献したいなと、講義を聞きながら思っていました。さらに私たちの身の回りは118個の元素のみでできているということを始めに習って、たった118個の組み合わせを変えることでこんなにも様々な物質sができるということに圧倒されました。どの元素を組み合わせようか、研究者のひらめきが今後の材料工学をはじめとする科学界を左右していくのだと思いました。国内には7つの銅製錬所があるそうです。まず製錬所とは何なのか考えました。錬金術の錬だから、銅製錬所とは銅を作る場所なのかなと考えていると、その予想は当たっていたようで、お話によると製錬とは「自然界のものから金属を作り出すこと」だそうです。国内の分布は東北付近と瀬戸内海付近の2つに分かれていて中部地方周辺、関東や近畿には殆どありません。なぜ内陸部にはないのか不思議に思ったので調べてみました。「銅製錬について言えば、中国の主力銅製錬所は現在、ほとんど内陸部にあるが、将来、銅地金の輸出制限がはずされ、銅地金の輸出が本格化すれば、輸送コストの面で有利な臨海地区に外資参入の大型銅製錬所が建設されることも考えられる。」(引用 http://mric.jogmec.go.jp/public/current/99_30.htmlより 閲覧日:12月16日)つまり、日本の銅製錬所は臨海部が殆どですが、私はその理由として銅の輸入に便利なため、が最もだと結論付けました。輸入に便利なため臨海部にするということはつまり、それほど輸入が多いからでしょう。ここは今回習った知識で解決できます。まず1310トンもの銅鉱石を輸入します。それらはもともと0.05%ほどしか銅を含んでいない銅鉱石を処理して30%ほど銅を含んだものです。そしてここから日本で処理を行い最終的には99.999…%、ほぼ100%に純度を近づけた銅を作ります。このことから純度100%のピッカピカの銅を作るためには輸入の量が莫大だということを学びました。また、銅製錬所の紹介DVDを見ました。銅が赤い液体となって工場の中を進んでいるシーンが多かったのですが、ここで私が製鉄所に行った時のことを思い出しました。製鉄所は内部の温度がとてつもなく高く、猛暑日に行ったにも関わらず、製鉄所から出たとき涼しいと感じたほどでした。この製鉄所のように銅製錬所もきっとこのくらいの温度があるのでしょう。そんなことを考えながらDVD を見ていたのですが、これが後々の実験に関わっているとは思ってもいませんでした。 実験の1つとして、金の抽出液とDBCを混ぜることを行いました。私は混ぜる役割を担いました。すると驚いたことに、有機相と水相に綺麗に分離しました。振っても振っても必ず分離していました。これと貴金属溶解液を混ぜて分液漏斗でビーカーに移しました。分液漏斗は初めて使ったのでちょっと興奮しました。この実験では魔法使いになったような気持ちでした。素直にとても楽しかったです。 初めに、わだかまりが残っていると述べました。その一番の理由は実験後の考察にありました。考察では、製錬所と今回の実験装置とはなぜ電圧が異なるのか、という内容でした。正直に言うと、その答えは全くわかりませんでした。電圧が異なると何に影響があるのかもわからなかったし、電圧の差は重要なことなのかもわかりませんでした。他にも、電圧がメッキ加減に関係しているのかもわからなかったです。こうやってわからなかったことを挙げると、わかるための鍵になります。私は様々な疑問を抱えつつ、考察の時間を迎えました。頭が沸騰するような瞬間にさしかかり、学生の方に質問をしました。その方は丁寧に教えてくださり、この議論の核心まで入っていくことができました。その前に実験装置の陽極と陰極の反応についてはよく理解できていたというのもあって、真剣に考えることができました。そこで、答えを共有するという時間になりました。私はまるで廊下に出て走って逃げたいくらいの気持ちに襲われました。全員何か1つは言うということだったので、一生懸命考えました。考えても考えても、しょうもないような発想が頭の中を渦巻いていたのが悔しかったです。例えば、「陽極を大きくする」「陰極陽極のセットを1つしかしていないから電圧が高くなっていると考えたので、複数個並べる」「溶液を撹拌させてみる」等…。しかし、他のメンバーの意見にはあ!と大声をあげたいものがたくさんありました。「距離が関係している」「温度が関係している」等…。距離はもうどんぴしゃりの答えでした。私も実験しながら「私が求めていた答えは距離だ…!」とついつい感動してしまいました。また、先ほどのDVD が暗示していたのか、温度は大きく関係しているそうです。そんな意見を考えられるメンバーを尊敬します。私はめげずに頑張ります!この実験の補足として、陽極を鉛、陰極を銅で実験を行いました。電圧は驚くほど増えていき、陽極が銅の時の4倍以上に達しました。これにはひどく驚いて、理由をいち早く知りたい気持ちに駆られました。なんと、鉛は反応しないので代わりに水が分解されているということを学びました。これぞ実験の醍醐味だと思う瞬間でした。実験をしないと実感がわかないようなことを、学べて私は幸せだと思いました。 私なりにいろいろな案を考えてみました。悔しさの残る「銅の電解精製」についてです。あくまで理想像です。この実験ではゴム手袋と保護眼鏡を着用しましたが、やはり危険性の高いものとして硫酸銅水溶液が挙げられます。銅の精製は1310トンもしている日本にとって危険な液体は不利です。硫酸銅水溶液が最も適しているのは承知の上で、臭いけど酢酸とか炭酸水とか、もっと危険性の低いもので代用できたらいいなと思いました。 最後に、20㎝四方厚さ2㎝ほどの銅を持ち上げたとき、身体が凹みそうなくらいとても重かったことは、私にとってインパクトが強かったです。
  • 今回の実験は、精錬所の工程の1つである、銅の電解精製と金の溶媒抽出を行なった。銅の電解精製では、金属のイオン化傾向の差を利用して陽極である粗銅から陰極であるステンレス板に電気を流し、粗銅中の銅がイオンとなり硫酸銅水溶液を通ってステンレス板に付着するという仕組みだった。驚いたことは、たったこれだけ(実際の精錬所ではもっと規模が大きいだろうが)で綺麗な銅ができるということだ。電解し終えた粗銅とステンレス板を引き上げた時は、感動を覚えた。ステンレス板に粗銅とは全く違う、精銅が付着していたのだった。また、このような現象は、自分の知識でも理解することができて、とても嬉しかった。銅の電解実験に関連して、電圧についての議論もした。様々な検証実験をしたが、陰極のステンレスを銅に変えてもあまり電圧が変わらなかったのには驚いた。また、陽極の銅を鉛に変えた時の酸素の発生もすごく面白いと感じた。
    金の溶媒抽出実験では、金とパラジウムを溶かした溶液から、それぞれを固体の状態で取り出すことができた。抽出実験の概要は理解できていたので、飲み込みは早かった。この実験で使ったDBCは、魔法の薬なのではないかと思ってしまった。金やパラジウムが攪拌のあとに出てきた瞬間は、とても感動した。ただ、疑問にのこったことは、この実験では、金を塩酸に溶かした溶液を使ったが、金は塩酸には溶けないと思うので、そこが疑問である。  エネルギー資源についての講義では、資源が不足している現状が分かった。携帯電話などの精密機械からのレアメタルの回収はとても大切だと感じた。また、他の国では、レアメタルの回収の工程で、危険な作業を行なっていると聞いたので、それらの国に、日本の技術を伝えることができるといいなと思うと同時に、日本の技術はとてもハイレベルなのだということを理解した。 今回の講義は、非常に実りの多いものであったと同時に、非常に楽しく面白かった。
  • 粗銅から純銅を作る「精錬電解」は教科書にも載っていてその全貌はとてもシンプルな式で説明することができる。しかし今回はその過程での、工業的製法での電圧と実験した実測値の電圧の違いに焦点を当てて考えてみた。電極版の距離や温度など様々な要因を考えることができ、それを実験で考察してみるとその原因であろうものが正しいことが分かった。
  • 今回は金属の析出についての実験を行いました。一つ目は金の析出です。金といえばとても貴重なもので高価なイメージがあり、それだけ析出することも大変だと思っていました。確かに含有率はとても低く、希少価値は高いなと思いましたが、析出方法は至って単純で、化学でも習った、イオン化傾向を利用したものでした。イオン化傾向が高いものを使って、低いものを析出する、ただそれだけだけれども、きちんと金が析出されて、その様子に圧倒されました。また、銅の析出から、効率のよい析出方法を議論する実験も行いました。工場で析出する際の電圧と実験時の銅の析出での電圧に差があることから、様々な考察が出て、それらを実際に検証して、結論を出す、その研究者の様な過程を辿れて、よい経験となりました。金属の析出では、既習内容である、イオン化傾向を利用した方法が使われているので、化学の内容がとても身近に感じられました。
  • 私たちの身近にある様々なものに使われている銅や貴金属などの精錬の仕組みを知ることができた。金の溶媒抽出ではこんなシンプルな方法で分離することができるのかと驚いた。今回の活動を通して、実験において差異が見られたときに、様々な原因を疑ってそれを確認してみることの重要性を強く感じた。
  • 海外で取れる銅鉱石にも銅は1%も含まれていないことに驚いた。銅の工場ででた陽極泥からレアメタルを取り出す実験で有機溶媒(DCB)を加えて溶液を攪拌子で振動させると金が溶けた溶解液から金だけが溶けた黄色の溶液とそれ以外の溶液に分けることができた。黄色の溶液にシュウ酸カリウムを加えることで茶色い金を得ることができた。最初、茶色い沈殿を見た時は金だと分からなかった。もう一度融かすことで金色になるそうだ。実験で初めて分液漏斗を使用した。正確に金の溶けた溶液とそれ以外の溶液に分けることが難しかった。実験で使用した攪拌子が磁石で出来ていてスターラーとひっつき効率よく中の液体を攪拌することができるという実験器具の工夫を知って感動した。また粗銅から電気銅を作る実験で実際にステンレス板に電気銅が綺麗にくっついていた。最後に実際に工場で行われている電気精製での電圧と今回実験室で行った実験の電圧が違うことをについて班のメンバーと議論した。でた仮説を実際に実験した、でた結果には先生もすぐには説明できないとおっしゃっていた結果もあり仮説を立てることの重要性を知った。

2017年12月2日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 工学部物理系校舎3階

  • 当日の講師

    花崎 秀史 教授(工学研究科 機械理工学専攻 流体物理学研究室)
    沖野 真也 助教(工学研究科 機械理工学専攻 流体物理学研究室)

  • チューター

    秋山 真作、高橋 充、川崎 貴大

  • 実習の内容

    円管内を流れる水の流れの可視化実験(レイノルズの実験)を行なった。円管の入口付近に設置されたノズルから放出される染料の軌跡(流脈線)を観察し、スケッチを描いた。円管内を流れる流量が小さい場合には流脈線は一本の直線状であるが、流量がある臨界値を超えると流脈線が不規則に振動・拡散する様子を確認した。次元解析に関する演習を通じて、流れの状態がレイノルズ数と呼ばれる無次元数によって決まることを導いたのち、円管内流れの臨界レイノルズ数を求めた。

  • 染料により可視化された流れについて議論
  • 流脈線の観察とスケッチ
  • 次元解析に関する演習

活動を通して学んだこと

  • テーマは「水の流れの可視化実験」でした。実習を受ける前に水の流れの可視化とは何なのか、勉強の合間を縫って調べたり考えていたので、想像はかなり膨らんでいました。しかし水の流れの可視化と言われても、水の流れは水道などでいつも見ている訳ですから、既に可視化されているのではないかと思ったりもしていました。それゆえ余計に、装置を見たときに驚いたのです。エルキャスではいつも他では絶対できないような実験をさせてもらいますが、今回も大きくて本格的な装置を用いる実験で、装置を見たときから気持ちが高ぶっていました。その実験装置はレイノルズ実験装置という名前で、実習の後半で計算をしたときに求めた「レイノルズ数」を調べるための装置でした。その実験の内容としては、そう難しいものではありません。水槽の中に横たわった円柱の片方がラッパ形になっているのですが、そのラッパ形の入り口からインクを入れます。そして水の流量を調節することでそのインクの流れの形(流脈線)を見ます。ここまでは難しい内容ではなかったのですが、難しいのはここからでした。私の予想としてはインクは円柱の真ん中に注入しているため円柱の真ん中を進み続ける、ということでしたがそれは殆ど間違っていた予想でした。なんと流量を調節することで、予想通りきれいでピンと真っ直ぐに伸びた流脈線を作ったり、逆に線とは毛頭言えない複雑な波が現れることもありました。ここで流脈線のスケッチをしながら、だんだん流量を変えてその変化を考察しました。私はそこで流量を調節する役目を担うことができました。なんと調節は自動ではなかったので、微調整がとても難しくて焦ることもありました。でも安定した値になるとそれをメンバーに伝えて、流脈線を観察していくことに慣れてきてだんだん楽しくなってきました。准教授の方に「流量の調節は坂口さんにお任せします!」と言われて初めはドキドキしたけれど、嬉しかったので頑張ることができました。ここでの目的は、層流か乱流か見分けてその境目を見つけることでした。私は下流側にいたので下流の流脈線をよく観察していたのですが、下流では乱流に思えても上流だと層流に思えるというような状況が何度かあり、意見が割れてしまいました。ではその間の流量で見てみようなど工夫してついに境目を見つけることができました。初め、2.80が乱流と思っている人は私しかいなかったのですが結局2.70以上は乱流だという結果に至ったので少し嬉しかったです。しかし①2.70の決め手は見た目だけ。②私の調節したたまたまの値が2.70だったわけで、それがぴったり答えということではない。③さらに実験全体の答えとして層流と乱流のきっちりした境目はない。これら3つの条件を合わせて実験したので、ここでの結果が正確な証明はできません。でもこの値で計算すると流速が8.5[m/s]と出て、なるほど!水の可視化実験をするとこのようなことが求められるのかと感動してしまいました。水は流れが一定値を越えると、見えないけど実は層流から乱流へと変化していてこれは回転しながら波を作っていることを学びました。その実験の間、准教授の方に質問されて今でもよく覚えていることがあります。それは「なぜ円柱の入り口がラッパ形をしているのか」ということです。なぜ?私はすぐさま頭をフル回転させ、「水の流れを見やすくするため」と答えましたが、それは間違っていました。正解は「静かに水が流れていくため」でした。ここでなるほど!と思い、私はこの装置や実験にまたまた感銘を受けることとなりました。そして流脈線について考察するときは「回転している」「二本の線に分かれている」等たくさん意見を発表でき、それが正解だと嬉しく、さらに鮮明に記憶に残るきっかけとなっています。 後半では、次元解析を通してレイノルズ数を計算する操作を行いました。まず例として振り子の物理量を考えて次元解析を行うための基礎を固めました。私はこの次元解析という考え方を割りと早く理解できたように思います。当てられたときも答えることができました。ペアで問題を解くときも、物理量を列挙したり単位を揃えたり、楽しく学べました。次元解析で出た答えが実際も矛盾していなかったりして、次元解析の面白さや奥深さに魅せられました。大学院生の方についてもらって解いたのですが、私たちの難所も詳しく一から説明していただき、京大の人は凄いなとただただ尊敬して、私もそのような人になりたいと思いました。 この実験と計算を通して、レイノルズ数を求めることができました。私はこの実験装置に初めから気持ちが高ぶっていたと先述しましたが、実験の最後には湧き出てきたたくさんの疑問を解決するべく様々な実験をしたい、実験欲とでも言えそうな気持ちになりました。流体の密度を変えるとどうなるのか、水が流れてくるときの円柱の断面(私たちが見たのは側面)が見てみたい、など……。そこで私が考えたのは、あくまで理想像ですが、円柱の断面は直接見ることはできないので断面に合うように、インクが付いた時間差を表現できるような紙を固定するということです。このことから波は円柱のどのあたり(側面に近い方なのか中心部なのか)が速くなっているのか、などわかると思います。紙は、インクに当たったらすぐ反応してその反応度合いを色で判断できるものがあればいいなと思います。私の予想では中心部が一番速いと思うのですが、外側は回転している時もあるのでそこが謎です。是非調べてみたいです。 気づかぬうちにこんなに文章を書いてしまうほど、楽しい時間でした。次から水を見るとインクを落としてみたくなりそうです。ありがとうございました。
  • 水の流れの可視化というテーマで、レイノルズの実験を行なった。実験の概要としては、流れる水の中のインクの動きを観察して、その水の流れが層流か乱流かを観察し、様々な流量で実験するというものだった。まずひとつ驚いたのは、層流の時でも、インクが綺麗に波打っていることだ。また、乱流の時は、その波の形が崩れ、様々な方向に回転運動をしていることだ。続いて、層流から乱流に変わる所の近辺の流量を調べた。また、円菅の内径を半分にして、層流と乱流の境目を調べた。その流速は、内径が小さい方が速くなっていることに驚いた。また、物理の単位の次元を調べて、ある値の次元を調べる次元解析という手法を学んだ。そこで、先程の実験を支配するレイノルズ係数という無次元数を学んだ。そこで反省すべき点は、基本的な物理の知識がないことによる次元解析の計算をする際手間取ってしまったことだ。このようなことがないように、もう少し勉強してから臨むべきだったと反省している。今回の講義は、僕にとって初めてのことばかりで、非常に難しく感じた。
  • 流体の中の流れの観察は一回目の風洞実験でも行ったが、今回の実験では全体像を簡単に見渡せるようなスケールであったので、より流れが分かりやすく、また水を使ったのでより身近に感じた。層流と乱流の間の状態を調べて観察し、実際に値を出したレイノルズ数は理論値とくらべて大きな誤差もなく、またそれを求めるために学んだ次元解析という手法は斬新であり感動した。そしてそこから流体の慣性力と粘性力の比から複雑な流れの乱れを表せることを学んだ。
  • 水の流れが波であるということはよく聞きます。でも、実際の動きをみて、実は流体は回転しながら進んでいるということが分かり、驚きました。また、流体の動きは自然のものだから、層流と乱流の境目がはっきりしておらず、見分けることも大変で、グループ内でも、意見が分かれることがありました。そこから、ほかの人の観点や基準を知ることができ、新たな視点を発見できたのでよかったです。また、次元解析により、速度や周期の見積もりも行いました。パラメーターがいくつもあるものは、実際の数値を代入してみて、妥当なものを選ぶという方法をとりました。複雑な計算の中でも、最後は自然の数値に頼るという古典的で単純な方法を使っていて、そのギャップに驚きました。さらに、今回の実験結果をもとにレイノルズ数を求めました。これが求まることで、様々なシュミレーションが、相似なものとして、コンパクトな形で実行できたり、コンピュータで行なえたりするので、素晴らしい法則であると思いました。技術の進歩や、新たな発見へと繋がる大きな鍵であると思いました。決して簡単な話では無かったけど、様々な内容が一つに繋がった時は、とても気持ちよかったです。
  • 流れを穏やかにするために二枚並べられた細かい穴のあいた鉄板やラッパ状の入り口などレイノルズの実験の工夫がすごかった。レイノルズ実験は最初に行われてから時間がたっているのにもかかわらず現象が完全に解明にされていないことに驚いた。高校ではあまり習わない次元解析についてTAの方から習った。最後に粘度を測定する装置を見せてもらった。ガラス管の中に入っているガラス管の細さに驚いた。水が温度によって粘度がとても変わることを知った。

2017年11月18日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 工学部物理系校舎506号室

  • 当日の講師

    萩原 理加 教授(エネルギー科学研究科 エネルギー基礎科学専攻 萩原研究室)
    松本 一彦 准教授(エネルギー科学研究科 エネルギー基礎科学専攻 萩原研究室)

  • チューター

    岩本 健志、下地 大河、杉本 拓哉

  • 実習の内容

    太陽電池発電、水電解水素製造、燃料電池発電を実際に行うことにより、これらの原理と特性を学ぶとともに、水素エネルギーシステムの概念を理解する。実験によるデータの収集とそれらの理論的な解釈にわけて実習を行う。

  • 担当教員による水素エネルギーシステムの解説
  • TAによる太陽電池の解説
  • 太陽電池の性能評価実験

活動を通して学んだこと

  • 「水素エネルギーシステムを理解しよう」という題のもと活動をしました。題の通り、活動が終わったときには水素エネルギーシステムになぜか愛着がわいてしまうほど身近なものに感じ、理解できました。実際どのような実験をしたのか、それは小さな水素エネルギーを作る実験装置を用いて実際に水素エネルギーはどのような仕組みでできているのか知る、ということでした。装置自体は既に完成しているのであとは二ヶ所に水を加え水素と酸素に分解するのを待ちます。はじめに太陽電池を用いてエネルギーを変換しました。すると、光エネルギーは運動エネルギーへと変換され、設置していたプロペラを回すことができました。プロペラは勢いよく回り、その後太陽電池に光を当てなくても、貯められたエネルギーによって長い間止まりませんでした。凄い❗太陽電池により水が分解されてこのプロペラは動いているのだと、私は感動しました。火力発電で化石燃料を燃やすときに発生する排気ガスや、原子力発電で扱うウランのようにリスクもないためクリーンな発電が可能だ、だから将来的に太陽電池による発電が瞬く間に火力発電と肩を並べるほどに増えるようになるだろうと思いました。しかし、それは見た目だけといっても過言ではないものでした。ηmax={(出力)/(入力)}×100と数式に代入して計算すると、なんとこの太陽電池の最大変換効率は10%にも満たない、9.9%という値を叩き出しました。この結果が示している通り、太陽電池は9割以上もロスをしながらエネルギー変換をしていることがわかります。私の家は屋根に太陽光パネルをつけているのですが、まさかそこまで効率が良くないとは思ってもいませんでした。本来なら私たちが浴びるだけの太陽光を発電として使うことは画期的な技術ですが、それだけに頼ることは効率が良くないということを実験を通して知りました。少し残念に思いましたが、それでも順調にたまっていく水素を見ると、人間の開発はとどまることを知らず、また、やはりクリーンな発電の素晴らしさに感じ入るほかありませんでした。私のように太陽電池の最大変換効率の低さを惜しいと思った人々は数えられないほど多く、そうしてまた太陽電池の効率をあげるために研究された方は山ほどいらっしゃることでしょう。そこで、タンデム式や追尾式が開発されました。私も同じく太陽電池の効率をあげることを望んでいるので、タンデム式について調べてみました。専門的な内容でしたが、タンデム式にするとなんと最大変換効率は15%を上回ることができると発表されていました。ただただ感銘を受けるばかりです。ここでわたしも太陽電池の効率をあげるためにできる理想像を考えてみました。太陽電池の弱点として、夜は発電しないことがあげられます。よって、夜も月から反射された太陽光を用いて、太陽光を光としてではなく、ある種のエネルギーを受けとる形として夜も発電できたらいいと思いました。そうすれば、太陽が地上に出ている時間以外、つまり従来の太陽光発電の倍は発電できることは確実です。理想像に少しでも近付けられたら、火力発電や原子力発電のようなリスクを負う必要が多少減るのではないでしょうか。 そして最後に、燃料電池における燃料利用率について書きたいと思います。この実験ではためていた水素を用いて、その水素の減り具合をもとに時間と電圧、電流を測って発電効率を求めるということでした。はじめは水素が順調に減っていきました。水素しかなかった容器に再度水が溜まっていき、水素が減っていく様子が可視化されていたため、あたかも実際の発電を間近で見ているようでした。水素の減り具合と時間は比例しているようには見えませんでしたが、理論的には比例するそうです。そして最後に発電効率を見たこともないような式に当てはめて求めました。そうして、私たちの班は約84%発電していることがわかりました。本当は100%にさらに近いそうです。このことから私は発電効率の高さに感動して、さらに燃料電池について深く知りたいと思いました。 今回は実験をたくさんできて、本当に良い機会でした。ずっと同じ水素エネルギーの装置を使っていたけれど、周りの環境を変えることで大きく変わるのだと実感した一日となりました。ありがとうございました。 
  • 今回の内容は、夏休みに行った京都大学オープンキャンパスで行なった実験と同じだったので、より深く理解することができた。 具体的に言うと、水素エネルギーや太陽光パネルを元に、燃料電池を使って発電し、その発電効率を求めるというものだった。まず初めに、太陽光パネルを使って燃料電池を動かしたが、ここで気付いたのは、この発電は、自然のエネルギー以外のエネルギーを使うこと無しに電気を作れるということだ。すなわち、これがもっと普及すれば、エコな社会を作れるということなのだ。ただ、燃料電池の大規模な設備は、お金がかかる上、後述するように、他の発電と比べて、効率が悪いのだ。(火力発電では、だいたい60パーセント、原子力発電では30パーセント、その他の自然エネルギーを用いた発電では20パーセント程度、それに比べて、太陽電池と燃料電池を用いた場合、10パーセント程度の効率だった。)しかし、この発電は、太陽光発電と違って、光エネルギーがないとき、例えば、夜、雨の日、などでも水素が残っている限り、電気をつくり続けることができる点に、魅力を感じた。課題点としては授業で教わった通り、水素の輸出の際の保存方法、また燃料電池のコスト、などであろうか。燃料電池を発展させることで、よりエコな社会が作れると感じた。 次に、太陽電池パネルの発電効率の計測実験をした。太陽光発電は、とても効率が悪いことが分かった。燃料電池を使うための水素を取り出すために、太陽光ではなくて他の方法があるのではないか、と思う。しかし、そのために火力発電を使うのは、CO2の排出を増やすことになるのでやはり効率化を考えることが一番なのだろうか。 続いて行なった実験では、水の電気分解の効率の計算だった。この実験では、理論分解電圧という、ある一定以上の電圧をかけないと、電流が流れないという理論を学んだ。水分解は、水素を取り出す上で、とても効率がいいことが分かった。最後の実験は、大本の燃料電池の発電効率を計算した。これが非常に高いことには驚いた。自分の班では、計算の誤差によって100パーセントを超えたぐらいだった。これはすごいと思う。なぜなら、使った水素をほぼすべて変えることができるからだ。
    これらの実験では、グラフを描いて考察を行なったが、グラフを描く作業は、非常に緻密で手間がかかる作業なので、集中力と忍耐力をつけていきたいと思う。 未来のエネルギーになりうる、水素エネルギーについて知ることができたので、今はとても嬉しいような気持ちである。
  • 電気から水素を生み出しまた水素から電気を再び作ることは効率が非常に高く、また課題となる太陽光から電気を作る効率の悪さも太陽光は無尽蔵にあるために大きな問題点とはならないこの分野での研究はとても現実味と理想を兼ね備えた素晴らしいものだという事を学んだ。
  • 水素エネルギーはとてもクリーンで、今、世界で問題となっている、資源枯渇問題の解決の鍵になると思っていました。でも、実際は、太陽光パネルでの発電の時点で、1割のエネルギーしか残らないという現状を知り、もっとよい効率で発電できるように、光の採り入れ方、採り入れる素材の工夫が必要だと思った。また、その工夫ができたら、水素エネルギーでの発電量が大幅に増え、晴れの日にできたエネルギーで生活し、その一部で電気分解を行って、水素として貯めておき、曇や雨の日に燃料電池としてエネルギーを取り出すと、比較的安定して、エネルギーを得られ、火力発電に頼りっぱなしの今の状態を脱出できるのではないかと思った。また、記録をグラフ化する時に、軸の数値を自分で決めるところなどが、研究らしくて、新鮮であった。実際のデータからとったグラフで何かの法則性が見つかると、嬉しかった。
  • たくさん実験があってする事が多く、とても充実した時間になった。 太陽光発電は、太陽光から電気に変換するところの効率がとても悪く、その後の効率は30%~40%はあるので、その太陽光パネルの改良が現在進めらているということがわかった。 またここの改良が進めば日本や世界のエネルギー事情は大きく変わってくるんだろうなと思った。
  • 太陽電池発電の効率の低さに驚いた。また、少量の水素でモータが回り続ける様子を見て水素を使った発電の燃料利用率の良さに驚いた。先生の説明を聞きエネルギー問題の重要さ、水素エネルギのクリーンさにすごいと感じたが、水素の輸送方法やイオン交換膜に使われている金属の希少さなどの課題もありこれらの解決はとても重要なことだと学んだ。

2017年11月4日

  • 実施場所

    宇治キャンパス 風洞実験室(工学研究科)

  • 当日の講師

    横山 直人 助教(工学研究科 航空宇宙工学専攻 航空宇宙力学講座)

  • チューター

    山本 隆正、廣田 翔

  • 実習の内容

    諸注意、流れと構造の連成問題の概略、実験の説明を1時間ほど行なったのち、休憩を挟みながらwing rock(流れによって三角翼が振動する)現象の実験を行なった。 Wing rock実験では、流れが三角翼を振動させることを観察し、どのような流れが安定な振動が生じるかを議論した。

  • 物理工学_実習風景三角翼の振動状態での流れの可視化
  • 物理工学_実習風景三角翼を静止させた状態での流れの可視化
  • 物理工学_実習風景可視化映像を用いて議論

活動を通して学んだこと

  • 「流れと物体運動の相互作用の観察」という題の活動をしました。はじめに物理工学の基礎について易しく説明をしていただき、実験についての予備知識を蓄えました。 まずはじめに私が驚いたことは、装置の大きさです。思ったより「大きすぎる‼」という印象を受けた実験室でした。それにはなんと理由がありました。まず捻れを殺すために長い風の道を作る、次に渦ができないようにcorner vaneで渦を消す、最後に太いと遅いのでしぼって加速できるようにします。この行程が細かいので大きい装置が必要だと思いました。 実験の中で私が驚いたこと(というよりも今回の実験結果のメイン)は、三角翼の回り方と角度と渦の関係です。今回の議論の軸は簡単にまとめると、「三角翼の回り方はどの部分を見れば安定していると分かるか」というものでした。私はまず、渦の大きさから観察しました。それでもあまり分からなかったので、次は渦の形、その次は渦の長さ……という風に観察していきました。結局、渦の振動は元に戻ろうとする三角翼の運動に対して、さらに進んでしまうために起こる現象だと教わりました。ここで私が学んだのは、もちろん結果もそうなのですが、考察する時間の大切さです。今まで学校でも考察に何時間もかけたことはありません。だから今回の考察は人生で初の長い考察時間となりました。最後に仰ってたように、数値を使わない実験も楽しいなと思いました。しかし実験にはいろいろ方法があるため、今回のが一番だとは決めかねにくいと思います。数値を使わない実験ではひたすら考察→仮説を立てる→実験、を繰り返してきました。このサイクルもまた考えるのに最適だと思いました。
  • 今回は、流れの可視化というテーマで、wing rockの実験をした。高校では使わないような大きな実験装置を使った実験は、迫力があって、とても面白かった。実験用メガネをしたことも初めてだったので、興奮した(メガネが重くて頭が痛かったのでこれから慣れていきたいと思う)。 今回の実験で学んだことは、たくさんある。三角翼の端に渦ができているということや、風の向きと、翼の角度が大きかったら、翼が振動すること、また小さかったら、振動が収まるということである。翼の運動は、渦によってのものだということも知った。このような実験は、戦闘機などにも実用されているということも知り、面白いと感じた。 今回の実験は、細かい数式などを使って解析するということはあまりせず、むしろ、観察によって解析するというものだった。このような実験も大切であると聞いた。今回は、正しい答えや、考えを出すことはできなかったので、今後は観察からの解析をする実験と出会ったときに、答えを出すために観察力と思考力を身に付けていきたいと思う。
  • 計算できない、わからない事柄でも、工夫することで何とかしてみるという姿勢を持つことも大切だという事を学んだ。
  • 普段学校で行うような対照実験を、1から組み立てることは、条件をどのように変えたらどうなるかという仮説を立てる必要があり、大変難しいと思った。現象を解明する際には、もっと豊かな想像力、またそれを支える多くの知識が必要であると感じた。ほかの人と話し合うことで、新たなアイデアが生まれたり、解決の糸口が見つかったりすることが楽しかった。
  • これほど大きな機材を使って大掛かりな実験をするのは初めてだったので、とても貴重な経験になった。 学校の授業などでやる実験では与えられた事をそのままやるものが多いが、今回は自分たちで何をすべきかも考えてしたので、それをするのは大変だったが、得るものも多かった。また、今までは数値をとる実験をしてきたが、数値をとるのではない実験をすることでそれの重要性も知ることができた。
  • カメラ係としてグループの役に立つために努力することが出来た。また仲間との議論を通して議論の大切さを学ぶことが出来た。
  • 風洞に取り付けた三角形の板の振動の原因を説明せよという課題で自分は三角板の上にできる渦に注目して観察していたが先生に不安定の方向について指摘され、定性的な実験において物事をしっかり観察することの大切さを学んだ。講義後の実習の時に先生から与えられた課題について先生に班の人たちとデスカッションしながら考えるというアドバイスをいただいたが、初対面であまり良いデスカッションをすることができなかった。デスカッションをすることで自分の観察できていなかった事実について気付くこともできたので、もっとデスカッションをしていれば課題の答えに近づけたのではないかと思った。このことから、デスカッションの重要さを学んだ。

[基盤コース後期]物質エネルギー化学

2018年2月3日

  • 実施場所

    桂キャンパス A2-518, 519

  • 当日の講師

    Cedric Tassel 准教授(陰山研究室)
    小林 洋治 講師(陰山研究室)
    高津 浩 特定講師(陰山研究室)
    山本 隆文 助教(陰山研究室)

  • チューター

    加藤 大地、斎藤 彩加、中島 崇秀

  • 実習の内容

    超伝導現象(ピニング効果・完全反磁性)の実験、電気伝導率と温度に関する実験、発表準備(構成に関するディスカッション・スライド作成)

  • 電気伝導率に関する実験(タッセル准教授・加藤チューターとともに)
  • 液体窒素温度と室温での電気伝導率を比較する実験
  • 発表の構成を全員で議論

活動を通して学んだこと

  • 超伝導を体感できた実習では、超伝導の不思議さを十分に楽しむことができた。仕組みは大まかには理解したが、まだまだ奥が深そうだと思った。また調べてみたい。リニアモーターカーがどれだけすごいのかがよく分かった。また、発表準備では先生方やTAの方々に丁寧に指導していただき、準備が進んだだけでなく話し合いの進め方やスライド作成のコツなど、発表をする上で役立つ技術も教えていただき、大変有意義な時間となった。
  • 金属を液体窒素で冷やすだけで、磁石に近い性質のものになるのに、驚いた。あんなに強い磁石をさわることは初めてだったので、とても嬉しかった。
  • 超伝導体が示す性質 大きくわけてひとつは超伝導状態で電気抵抗がゼロになるという電気的な性質で、もうひとつが完全反磁性。完全反磁性によるマイスナー効果とピン止め効果が用いられた超伝導体レールでそのふたつの効果を体験しました。マイスナー効果は磁気に対する反発のように感じられた、まるで磁石の同じ極を近づけた時のような(磁石に対する)反発でした。一方、第2種超伝導体で見られるピン止め効果は、超伝導体がある位置に固定される力が働いているように感じられました。人工的に敢えて不純物を少し含ませた第2種超伝導体の方が磁気浮上が顕著に現れるのが面白いところだと思いました。 今でも超伝導物質の合成が研究され、より高い転移温度をもつ物質が今後作られるかもしれないということと、超伝導という物質の性質が既に幅広く応用されている事が分かりました。
  • 超伝導とは、金属や化合物などの物質をとても低い温度に冷却すると電気抵抗がゼロになる現象だ。この温度を臨界温度と呼び、現在最大-138℃で超伝導になる物質が発見されている。また、超伝導には、ほかにも特徴がある。マイスナー効果と、ピンどめ効果だ。マイスナー効果とは磁場の中に超伝導体をおくと、超伝導体が磁場を押しのけてしまう現象だ。ピンどめ効果とは、磁場が強くなったときに、ところどころに超伝導にならない部分ができて、磁場がそこを通り抜けてしまい、動くことが出来なくなってしまう現象だ。実習では、これらの効果を使い三つの実験を行った。一つ目では物質を液体窒素を使って冷やしたときの電気抵抗の変化を見た。定義通りいけば、電気抵抗は下がるはずだが、上がってしまった。また、数値も安定せず、定義通りの結果を得ることは中々難しいことだと感じた。二つ目は、マイスナー効果を使い、ネオジム磁石を浮遊させた。観察しているとどうやっても、ネオジム磁石が地面と平行にはならないことに気づいた。それは、押しのける力が中心と端では、中心の方が強いからだそうだ。また、超伝導体を重ねると、浮遊する高さが変わるのか気になった。しかし、高さは変わらなかった。三つ目は、ピンどめ効果を実感した。磁石で作られたレールの上を超伝導体が走った。まるで未来の電車を見ているようだった。超伝導は将来広く使われて行くのだろうなと感じた。後半はプレゼンテーションの準備を行った。理系のプレゼンテーションというものについてレクチャーして頂いた。情報量が多いのでスライドには文字を他のプレゼンテーションよりも書く事、1スライド1分目安で作ること、まず、どのスライドを何枚作るかというアウトラインを決めること、まとめの章を作ることなどだ。合宿では今回学んだことを生かし良いプレゼンテーションにしたい。
  • 【講義】最初の講義では、超伝導という現象の仕組みや、その応用などについて学んだ。また、単に電気抵抗が0になるだけではなくて、「完全反磁性」呼ばれる磁気にも影響を与える性質があるのだと知った。講義の中で特に驚いたのは、超電導によって夢のような技術が現実となることだ。例えば、ものを浮かして摩擦による抵抗をなくしたり、完全導電性によって電気の運搬や蓄積に応用できるということだ。その反面、極めて低温でなければ超伝導状態にならず、より高温でも超伝導状態になる新しい超伝導体の開発には非常に意義があって、面白い研究であると感じた。
    【実験】[1]まず、超伝導体でない物質の性質を改めて確認した。液体窒素によって低温状態にすると、絶縁体では抵抗値が振り切って測れないほど大きくなったことが確認された。[2]超伝導体のBSCCOを用いて磁気浮上の実験を行った。超伝導体を液体窒素によって超伝導転移させた状態で、永久磁石を載せると磁石が浮くことが確認された。また、面の向きなどに関わりはなく、極性がないと思われる。このことから、超伝導体の周囲では磁場が歪められ、極性にかかわらず反発すると考えられる。また、超伝導体を複数重ねたり、永久磁石を複数重ねても大きな変化はなかった。[3]磁気についてより詳しく調べる実験を行った。磁気ビュアシートを使用すると、永久磁石では磁気が確認されたのに対し、超伝導体からは磁気が一切確認されなかった。また、超伝導体のみでも、永久磁石と干渉している状態でも、変化はなかった。また、テスラメーターを使用して磁力を測定したが、超伝導体からは一切数値が取れず、永久磁石からは数値が取れたが、超伝導体と近づけても変化はなかった。以上のことから、磁場は超伝導体をある程度貫通していると考えられる。[4]磁石で作られたレールと超伝導体の線材を用いて、磁気浮上についてより詳しく実験を行った。通常の状態では反発する力が非常に強く、コースアウトしてしまうことも多かったが、やや押さえつけることで反発が弱まり、レールと程よい間隔を保つようになった。また、更に押し付けると完全にピン留めされた状態になり、浮いているにも関わらず、傾けても一切動かなくなった。このことはレールが180度回転している状態でも同じで、浮いているにも関わらず落ちることもないという極めて不思議な現象を目の当たりにした。
    【まとめ】超電導は仕組み自体はさほど難しくないにも関わらず、電気抵抗・磁気の両方において不思議な現象を数多く生み出しており、非常に面白いと感じた。実験も終始楽しく行うことができ、大学でより詳しく学んでみたいと感じた。また、より高温でも超伝導状態になる新物質の研究についてもより詳しく知りたいと感じた。
    【成果発表会準備】コンセプトやプレゼンの流れを決める作業に時間の大部分を割いた。どの実験も楽しかった思い出があるが時間の関係ですべてを取り上げることはできず、非常に悩んだ。その分選ばれた実験に対する想いは強く、話の展開や構成のみならず細部にもこだわりを持って取り組むことができ、非常によいものが出来上がりつつある。このチームの最大の強みはチームワークであると感じた。全員がお互いのことを確実に理解しており、障壁なくコミュニケーションを取って、全員が満足する形で話を進められていることは非常に大きいと思う。今後も引き続き準備、主に原稿・発表面の準備を進めて、有終の美を飾れるようにしたい。
  • 超伝導体が示す性質 大きくわけてひとつは超伝導状態で電気抵抗がゼロになるという電気的な性質で、もうひとつが完全反磁性。完全反磁性によるマイスナー効果とピン止め効果が用いられた超伝導体レールでそのふたつの効果を体験しました。マイスナー効果は磁気に対する反発のように感じられた、まるで磁石の同じ極を近づけた時のような(磁石に対する)反発でした。一方、第2種超伝導体で見られるピン止め効果は、超伝導体がある位置に固定される力が働いているように感じられました。人工的に敢えて不純物を少し含ませた第2種超伝導体の方が磁気浮上が顕著に現れるのが面白いところだと思いました。 今でも超伝導物質の合成が研究され、より高い転移温度をもつ物質が今後作られるかもしれないということと、超伝導という物質の性質が既に幅広く応用されている事が分かりました。
  • 今回は超伝導について学習した。超伝導とは、金属や化合物などの物質をとても低い温度に冷却すると電気抵抗がゼロになる現象だ。この温度を臨界温度と呼び、現在最大-138℃で超伝導になる物質が発見されている。また、超伝導には、ほかにも特徴がある。マイスナー効果と、ピンどめ効果だ。マイスナー効果とは磁場の中に超伝導体をおくと、超伝導体が磁場を押しのけてしまう現象だ。ピンどめ効果とは、磁場が強くなったときに、ところどころに超伝導にならない部分ができて、磁場がそこを通り抜けてしまい、動くことが出来なくなってしまう現象だ。実習では、これらの効果を使い三つの実験を行った。一つ目では物質を液体窒素を使って冷やしたときの電気抵抗の変化を見た。定義通りいけば、電気抵抗は下がるはずだが、上がってしまった。また、数値も安定せず、定義通りの結果を得ることは中々難しいことだと感じた。二つ目は、マイスナー効果を使い、ネオジム磁石を浮遊させた。観察しているとどうやっても、ネオジム磁石が地面と平行にはならないことに気づいた。それは、押しのける力が中心と端では、中心の方が強いからだそうだ。また、超伝導体を重ねると、浮遊する高さが変わるのか気になった。しかし、高さは変わらなかった。三つ目は、ピンどめ効果を実感した。磁石で作られたレールの上を超伝導体が走った。まるで未来の電車を見ているようだった。超伝導は将来広く使われて行くのだろうなと感じた。 後半はプレゼンテーションの準備を行った。理系のプレゼンテーションというものについてレクチャーして頂いた。情報量が多いのでスライドには文字を他のプレゼンテーションよりも書く事、1スライド1分目安で作ること、まず、どのスライドを何枚作るかというアウトラインを決めること、まとめの章を作ることなどだ。合宿では今回学んだことを生かし良いプレゼンテーションにしたい。
  • 超伝導の定義を調べると、「特定の金属や化合物などの物質を非常に低い温度へ冷却したときに、電気抵抗が急激にゼロになる現象」と出てくる。20世紀初め、オランダのH.Kamerlingh Onnes が発見したその技術は、電気抵抗をゼロにするだけでなく、磁場を排除する性質をもっており、希ガスや貴金属を除く多くの物質が超伝導になる。超伝導体には2種類あって、それぞれ第一種超伝導体、第二種超伝導体と呼ばれる。2つの違いは第一種超伝導体が超伝導状態(マイスナー状態)と常伝導状態を持ち合わせているのに対し、第二種超伝導体には、上の2つに加え 超伝導と常伝導が共存している混合状態が存在する。すなわち第二種超伝導体では、マイスナー効果とピン止め効果(混合状態)による磁気浮上が可能であるのだ。ピン止め効果を用いると、磁場は内部を通り抜けるため、浮遊しながら高さを固定することができる。 ピン止め効果を用いることで、永久磁石で作ったレール上を超電導物質が浮きながら動くことができた。 他にも、たくさん超電導を用いて小さな実験をしたりして楽しかった。 後半は合宿に向けた資料作成をした。全体の方向がなかなか定まらず苦戦したが、本番までに家でも少し進めて、いい発表を準備したい 。

2018年1月20日

  • 実施場所

    桂キャンパスAクラスター
    A2棟5階ラウンジ(実習の説明)
    A2棟5階514室(実習)

  • 当日の講師

    近藤 輝幸 教授(工学研究科 物質エネルギー化学専攻 近藤研究室)
    木村 祐 特定准助教(工学研究科 物質エネルギー化学専攻 近藤研究室)
    孫 安生 特定助教(工学研究科 物質エネルギー化学専攻 近藤研究室)

  • チューター

    石井 拓実、北嶋 夏子、中嶋 理奈

  • ボランティア

    梅原 由衣

  • 実習の内容

    「オスミウム触媒による不斉酸化反応を利用した光学活性化合物の合成」
    有機合成化学において、光学活性化合物の R 体、S 体を人工的に作り分けることは、極めて重要なテーマの一つである。本実習では、2001 年にノーベル化学賞を受賞した K. B. Sharpless 教授が開発したオスミウム触媒を用いるアルケン(C=C 二重結合をもつ 4-ビニルベンジルクロリド)のジヒドロキシル化反応を行い、2種類の不斉配位子を使い分けて、R 体のみ、および S 体のみの合成を2名ずつ、不斉配位子を添加しないラセミ体(R 体と S 体の1:1混合物)の合成を1名が担当し、全員が不斉合成実験を行った。反応終了後、生成した vic-ジオール類を HPLC(キラルカラムを装着)を用いた分析により R 体、S 体、ラセミ体の生成と光学純度の確認、および ESI-TOF 質量分析装置で分子量の測定を行った。

  • グローブボックスを用いれば、空気中で不安定な試薬や反応ができることについての説明
  • グループに分かれて、R 体、S 体、ラセミ体の vis-ジオールを合成
  • 有機合成反応に使用する試薬を秤量し、反応装置に移す操作

活動を通して学んだこと

  • 助教の先生がチューターの方にここの手順はどうして必要なのか、何故こうするのか、などと色々質問されており、それに対してチューターの方もすらすらと答えたり、分からないときは推測を立てて答えたりしておられ、実験をするとはこういうことなのかと気付かされた。もっと、実験手順の意味を考えながら実験をしていこうと改めて思った。
  • 1960年代、サリマイドという薬が発売されていた。主に妊婦を対象に処方されていた睡眠・鎮痛剤だ。しかし、胎児への副作用が確認されたため、販売中止となってしまった。原因は、鎮痛効果のあるR体だけでなく、催奇性をもつS体が含まれていたからであった。R体とS体とは互いの分子構造は同じで、その空間的な配置だけが違う立体異性体である。R体とS体は分ける必要があるのだ。しかし、R体とS体は物性が同じである。そのため、分けることが難しく、人工的に作り分けなくてはいけない。今回の実習ではその作り分けを行った。まず4-ビニルヘンジルクロリドの不斉ジヒドロキシル化反応を実験した。私の班はR体のみを作り分ける課題が出された。そのためには、不斉配位子の働きがとても重要である。不斉配位子は必ず決まった場所に結合するため、結合する場所が2通りある、K2OS[OH]4を1つの結合場所に固定することができるのだ。K2OS[OH]4の結合場所によってR体とS体が別れているため、不斉配位子を用いると、R体のみを作り分けることができるのだ。反応に必要な物質をすべて入れ、1時間攪拌し、最後にNaSO3を入れた。その際に私のフラスコに異変がおきた。3層に分かれるはずが、どれだけ攪拌しても分かれない。それどころか、ビールの泡の様なものが確認され、私のフラスコだけ色が異なっていた。TAの方も原因はわからないそうで、何が出来たのか分析することになった。分析では、しっかりとR体のみを生成することが出来たかが分かるキラルHPLCと、分子量を測定するESI-TOF-MSという機械を用いた。しかし分析結果は意外なものであった。とても綺麗な定義通りの数値を計測することができたのだ。このことから、実験は見た目で判断してはいけないと学んだ。実験は予定通りに進まないことが多い。だからこそ面白いのだと思う。私のフラスコを見たときチューターの方はとても面白そうにされていた。どうして??と、楽しそうに考えられていた。その姿はとてもかっこよく、不安になっていた私も楽しくなってきた。時には失敗が思わぬ発見となることもあるそうだ。この姿勢を忘れずに大学で研究したい。
  • 実験で、欲しいデータ以外にも、いろいろなデータが出てくるということ。触媒は実際に反応させるものに比べて、少なくて良いということ。実験がうまくいっていても、周囲の環境条件によって、結果が変わってしまうことがあるということ。
  • 有機化合物には鏡像異性体(鏡に映せば重なるが、回転させても重ならない構造の有機化合物)が存在することを知った。一見同じ物質のようにも感じたが、片方には鎮静効果があって薬として使いたいが、もう一方には副作用があるなど、その作り分けが有機化学において非常に重要なのだとわかった。また、今回の活動で扱ったのは左右の違いのみでわかりやすかったが、実際には鏡像異性体のようなものが3つ以上ある立体構造の分子もあるのだろうと思った。実験では、ラセミ体(左と右の両方が混じったもの)、S体(左)、R体(右)の作り分け実験を行った。物質を混ぜ合わせるだけでは左右のバランスが1:1のラセミ体が生成されたのに対して、触媒を加えただけでS体とR体を作り分けることが簡単にできて、とても驚いた。また、ラセミ体には意味がないのかと思いこんでいた部分があったが、ラセミ体の反応の方が安定しており、きちんと利点があるのだと感じた。また、今回の活動で最も収穫があったのは実験後の解析である。これまでの実験では解析まで行うことはあまりなかったが、実際には有機化合物が正しく生成されているか確認するステップがいくつもあるのだと知った。特にHPLCは、鏡像異性体の性質をうまく利用していて、非常に関心した。
  • 同じ示性式でも、鏡に映すと重なるけれど、どのように回転しても重ならないR体とS体という2つの鏡像異性体があり、人工的に作り分けることが困難であること。また、今回の実験では不斉配位子を利用してR体、S体、また不斉配位子を使わないでR体とS体を両方含むラセミ体を合成できることを学んだ。また、高速液体クロマトグラフでR体とS体の検出ピークが異なること。質量分析装置で生成物の分子量を分析できること。

2018年1月6日

  • 実施場所

    桂キャンパス A2棟404号室

  • 当日の講師

    阿部 竜 教授(工学研究科 物質エネルギー化学専攻 阿部研究室)
    東 正信 助教(工学研究科 物質エネルギー化学専攻 阿部研究室)
    冨田 修 助教(工学研究科 物質エネルギー化学専攻 阿部研究室)

  • チューター

    岩井 喬史、松岡 輝、高比良 暉

  • 実習の内容

    タンタル酸窒化物光電極の作製と光電気化学的水分解、酸化チタン膜の作製と色素の酸化分解

  • 導電性ガラス基板表面にタンタル酸窒化物粒子を固定化する
  • 酸化チタンペーストを作製しガラス基板に固定化する
  • タンタル酸窒化物光電極を用いた水分解による気体生成の様子を観察する

活動を通して学んだこと

  • 実験の原理や上手く作業するコツなど、少しでも分からないと思ったことは何でも質問することが大切だと改めて思った。チューターの方でも、普段やらない実験を指導してくださっている場合もあるので、先の工程まで聞いて実験内容をしっかりと把握することが、より良い実験結果に通じるかもしれないと思った。
  • 光触媒に光を当てた時に起こる酸化還元反応を利用して、水を分解して水素と酸素を作ることができること。現在は効率面や触媒の安定性に課題があるが、さらなる光触媒の改良によっていつか太陽光エネルギーを利用して水素を安価で、かつ大量に生産出来ること。
  • 一つの物質を入れたり、入れなかったりするだけで、結果が大きく異なることが分かりました。
  • これまで燃料電池など、水素の利用方法については学んできたが、肝心の水素をどのように確保するかという点は不透明だった。今回の活動では、その問題が一気に解決したように思う。通常は天然ガスから合成するが、それでは化石燃料が必要であり、資源枯渇問題の解決にはならない。そこで活躍するのが今回使用した光触媒である。無限に存在する太陽のエネルギーを利用して、自ら水素を取り出すことができる、画期的な方法だと感じた。実験ではまず、触媒としてTaONを利用して、水の分解を行った。操作としては、計量した各物質を基盤の上に順に乗せていった後、加熱するのみであり、非常に簡単であった。しかし、肝心の触媒をどのように作製するかまで踏み込めなかったのは残念である。実験自体は問題なく成功し、気体が発生しているのを肉眼でも確認することができた。
    また、研究室のもう一つのテーマである環境浄化の実験も行った。手順は、酸化チタンをペースト状にしてスライドガラスに塗布して熱処理した後、色素であるメチレンブルーをかけたのみである。スライドガラスの一部分を遮った状態で光を当てると、その部分のみが青いままで、他の部分は酸化チタンの白色のみとなった。このことから、酸化チタンが光触媒として反応し、色素を分解したことが確認された。今回扱った内容はすべて最先端の技術であり、手順が簡単でありながら素晴らしい結果を得ることができ、とても驚いた。その反面、まだ効率などの面で実用化に移せない部分もあり、自分たちの課題でもあると感じた。
  • 地球の化学資源は限られている。残された石油はあと42年分しかない。これは富士山1/8杯に相当する。天然ガスも60年分、石炭122年分、ウラン100年分しかない。(2008年データ)これからの私達は化学資源に頼らず行きていかなければいけない。その為には新しいエネルギーが必要だ。そのエネルギーとして水素が注目されている。水素は二酸化炭素を出さずに電気を作ることができる。しかし今水素は主にメタンガスから作られており、合成時に一酸化炭素を放出してしまっている。そこで太陽光で水素を作る、人口光合成という方法が研究されている。将来的には、同じ太陽光エネルギーを使用するため水素生成施設と太陽光発電施設が同じ所に出来るかも知れない。まず一つ目の実験ではタンタル酸窒化物光電極を用いた水分解によって水素と酸素を生成した。太陽光で水を分解しようとすると、太陽の光は、水の中をエネルギーを持ったまま素通りで突き抜けてしまうため、光を吸収してそのエネルギーで水を分解する機能を持った光触媒が必要なのである。初めにTaOを電極に付着させた。透明であった板が電気を流すだけで黄色に変化し視覚的にもTaOが付着したことが分かりやすかった。次にアンモニア中で加熱し、まず一つ目の実験ではタンタル酸窒化物光電極を用いた水分解によって水素と酸素を生成した。太陽光で水を分解しようとすると、太陽の光は、水の中をエネルギーを持ったまま素通りで突き抜けてしまうため、光を吸収してそのエネルギーで水を分解する機能を持った光触媒が必要なのである。初めにTaOを電極に付着させた。透明であった板が電気を流すだけで黄色に変化し視覚的にもTaOが付着したことが分かりやすかった。次にアンモニア中で加熱しTaONにした。この機械はアンモニア以外にも様々な気体中で加熱することができるそうだ。高校での実験では空気中以外での実験は考えられないので、新鮮でとても面白かった。そして電極としての性能を評価した。綺麗にムラなくTaONが付着しているように見える電極と、あまり綺麗に付着していないように見える電極のデータがあまり変わらなかったことが驚いた。二つ目は酸化チタン光触媒粒子を用いた有機物の酸化反応について実験した。この反応は色素増感太陽電池に応用されている。酸化チタンペーストを均等に塗ることが大切で、一番難しかった。また500℃で焼くということが新鮮であった。最後に実際に光を当ててみると思っていたよりもハッキリと反応を確認することが出来ず、もっと酸化チタンペーストを厚く塗るべきであったと後悔した。

2017年12月16日

  • 実施場所

    桂キャンパス A2棟509号室

  • 当日の講師

    辻 康之 教授(工学研究科 物質エネルギー化学専攻 辻研究室)
    藤原 哲晶 准教授(工学研究科 物質エネルギー化学専攻 辻研究室)

  • チューター

    井口 雅貴、清岡 新、光武 直哉

  • 実習の内容

    パラジウム触媒による鈴木-宮浦カップリング反応を使って、水中、空気下での炭素ー炭素結合形成反応によるビアリール合成反応を行った。また、鈴木-宮浦反応で得られる化合物の発光挙動についても観察した。

  • 反応が進行し、生成物が析出する様子を観察
  • 反応が進行し、生成物が光る様子を観察

活動を通して学んだこと

  • フェニル安息香酸の生成の実験におけるクロスカップリング反応におけるパラジウム触媒のサイクル図の見方。酢酸パラジウムを反応物の溶液に加える前に、炭酸カリウム(塩基)を加えると反応がうまく進むこと。蛍光を発する分子を合成する際、より多くのパラジウム触媒を使った方が蛍光が明るいことから、パラジウム触媒自身は反応して無くならないが、その量がある程度多い方が反応に有利であること。生成物を集める時にろ紙を削らないように注意すること。
  • クロスカップリングの実験を行った。2010年にノーベル化学賞を受賞された研究で、今では薬や太陽光発電などに使われている。クロスカップリングとは異なる二つの構造を持つ分子を結合させて一つの分子を得る反応である。その結合にハロゲンとホウ素を用いると鈴木-宮浦反応、ハロゲンと亜鉛を用いると根岸反応と呼ばれる。亜鉛が空気中では不安定なのに対してホウ素が安定なことから今回は鈴木-宮浦反応を実験した。 実験は3つ行った。1つ目はパラジウム触媒を使って炭素と炭素を結合させた。私は酢酸パラジウムを入れすぎてしまい溶液が白くなるはずが黒くなってしまった。酢酸パラジウムは集まりやすい性質があり、入れ過ぎてしまった量が集まったから黒くなったそうだ。酢酸パラジウムを入れた後は溶液がドロドロしていた。その後塩酸を入れ吸引濾過をしてから溶液を濾過し、無事黒い酢酸パラジウムを取り除くことができた。最後に再結晶を行った。しかしエタノールを入れすぎてしまい、過飽和状態になり生成物は現れなかった。そこで水を入れ溶解度を下げたことで、無事生成物が現れた。 2つ目は光る分子を作った。酢酸パラジウムのアセトン溶液を加えブラックライトを当てると青と黄色の2色が発光した。界面ははじめ泡が見えたがだんだん収まっていった。次にヘキサンを加えた。すると青かった所が緑に発光した。一緒に実験をしていた受講生の試験管と私の試験管を混ぜたらどうなるか気になり、実験してみた。すると4層に分かれるのではなく2層が厚くなった。やはり二つの溶液の比重が関係していることがわかる。また、時間が経つと強く光った。 3つ目は違う光る分子を作った。酢酸パラジウムのアセトン溶液を入れると青く光った。そこで、酢酸パラジウムのアセトン溶液を入れながらブラックライトを当てるとどうなるのか気になり、実験してみた。するとだんだんぼわぁっと光った。これも2つ目の実験と同様時間が経つと強く光った。 今回の実習では実験以外にもさまざなことを教えていただいた。研究する上で英語がどれほど大切か、論文を発表するということはどういうことなのか、冬場の実験は気温が下がるため反応が進みにくいなどだ。これからも高校で英語学習に積極的に取り組みたいと思う。 
  • 今回は、今までで一番、目に見えて結果がわかったのでとても興奮しました。また、入れるものを一つ変えるだけで、結果が変わり、とても面白かったです。
  • 講義では、クロスカップリング反応の仕組みやその意義を学んだ。触媒によって異なる構造を持つ分子を結合させるという技術が、今日の太陽電池や高血圧治療薬に応用されているということには非常に驚いた。また、鈴木-宮浦反応がノーベル化学賞を取ったことに関連して、ノーベル賞がどのような場合に授与されるかなども教えてもらった。これまでノーベル賞のニュースがテレビなどで流れてもなんとなく自分とは関係のないことだと思っていたが、一気に身近に感じるようになった。 実験では、クロスカップリング反応で炭素をつなぐ実験と、光る分子を作製する実験を行った。前者では、最初の計量に時間がかかってしまったが、最終的に非常にきれいな結晶を取り出すことができた。また、結晶をより高純度で取り出すための方法をいくつも学んだ。特に、炭酸カリウムを取り除くために塩酸を加えて中和させるという方法には非常に驚いた。後者では、試薬を混合しただけでとても美しい蛍光が見られた。また、分子構造の僅かな違いだけで蛍光色に大きな違いが見られたり、ヘキサンを加えると色が変化したり、不思議なことがたくさん起こった。蛍光の仕組みまでは理解できなかったが、化学の面白さを体感することができた。 全体を通して、現代の有機化学を支える重要な技術に知識の面でも実験の面でも触れることができて、とてもよかったと思う。
  • 聞きなれない物質を用いた反応を取り扱ったが、ここでこれが多いとどうなる、など一つ一つの物質が反応にどう関わるのかを説明してくださったため、物質の働きを考えながら実験できた。また、実験が上手くいかなかったときも、改善案をいくつも試してくださり、理屈が分かっていればどうにでも持ち直せるという化学実験の楽しさを感じた。反応自体もゲル化したり発泡したりと、見ているだけで面白かった。 また、よく観察することで反応の過程を知ることができ、自分たちで実験が上手くいくよう工夫できたのでとても楽しかった。

2017年12月2日

  • 実施場所

    桂キャンパス A2棟ラウンジ

  • 当日の講師

    安部 武志 教授(工学研究科 物質エネルギー化学専攻 安部研究室)
    宮原 雄人 准教授(工学研究科 物質エネルギー化学専攻 安部研究室)

  • チューター

    張 藝潼、塩田 隆人、伊藤 優汰

  • 実習の内容

    初めに、安部教授が本実験の背景知識に関して高校化学の内容をもとに簡単な講義を行った。続いて、備長炭とアルミホイル、食塩水、キッチンペーパーからなる備長炭電池の作製を宮原助教およびチューターとともに行った。その際、工夫すべきポイントについて相互ディスカッションを行いながら進めた。完成した備長炭電池について、電圧と電流、モーター風車の回る速度、豆電球の光度から性能を評価し、性能に差が生じた理由について考察した。また、備長炭電池を利用した水電解を行い、実際に水素発生が進行している様子を観察した。最後に、講義に出たVoltaic pileの試作を行い、備長炭電池と同様に性能の評価を行った。

  • 実験内容に関する講義
  • 作製した備長炭電池を使用して水素生成を行う様子

活動を通して学んだこと

  • 備長炭電池を作る時は極と電解質溶液(キッチンペーパーに染み込ませた)の接触面積を大きくすると電流がよりよく流れること。電圧はほぼ両極の物質(のイオン化傾向)で決まること。 身近な硬貨を利用してボルタパイルを作れること。
  • 「作り方ではなく貯め方」というのが今回のキーワードではないかと思う。再生可能エネルギーでの電気の作り方に注目が集まる中、発電した電気をどう貯めるかという貯め方について学んだ。貯めるのには電池を使用する。現在ではリチウムイオン電池が多く使用されているが、よりエネルギー密度が高い電池が求められている。 実習では備長炭を用いて電池を作成した。より表面積を広く、キッチンペーパーによる抵抗を少なくすることが大切であった。結果豆電球を少しつけることに成功したので、しっかりと作れたのではないかと思う。 今回を通して今まで再生可能エネルギーを作ることに興味があったが、貯めるという電池にも興味が湧いてきた。将来電池を研究してみたい。 
  • 電池の仕組みやイオンなど、高校化学と非常に関わりのあることをかなり深く学ぶことができた。例えば、高校化学でも電池の種類を学ぶことはあるが、その一つ一つの仕組みや特徴まで詳しく学ぶことはなく、大学ならではだと感じた。また、研究室のテーマである二次電池のこともたくさん教えていただいた。これまで二次電池を作ることは難しいということは知っていたが、その理由までは知らなかった。例えば、ごくわずかな性能差が何百回も使っているうちに大きな差になることにはとても驚いた。また、電池の歴史などの雑学も学べたことで、より化学に対する興味が出てきたように思う。 実験では、備長炭電池を作った。一人ひとりがそれぞれの電池の性能を上げるために様々な工夫をしていたのはとてもおもしろかった。その効果もあってか、全員がモーターを回せたり、豆電球をつけられるほどの電気エネルギーを生み出せたのは非常によかったと思う。三回目になって、お互いのことをだんだんと知れてきたこともあって、それぞれが工夫した内容を伝えたり、その結果を発表したりもできるようになってきて、対照実験としての側面も表れてきたように思う。この調子で仲を深めてって、よりよい実験にしていきたい。また、積極的に実験に取り組んでいたおかげで、硬貨を使った別の実験にも挑戦することができた。この電池はそれぞれが担当部分に責任を持って、力を合わせて作らないと十分な効果が得られないため、これまでの成果を試すことができたように思う。
  • 備長炭と、アルミホイルを用いて電池を作った。電池の材料だけであれば ・アルミホイル・備長炭・食塩水・キッチンぺーバー とたったの4種類である。
    中学の時、教科書の隅にのっていたその”サバイバル電池”に対し当時の私は、作りたいとも思ったが、「まあこんなこと知っておけば無人島でも発電できそうやなあ」なんて今思えばたいそうのんきな事を考えていただけであった。今回はそれを、仕組みを理解して作ることが出来た。  先人の発明家たちは電池を作る時、2種類の金属を舐めることで舌で電気を感じて組み合わせを考えていた と聞いて驚いたが、私が今回(舌で舐めてはいないが、)電流を確認したときは、本当に自分で作った物質に電気が流れる ということがわかると、とても嬉しかった。 物質の化学エネルギーが電気エネルギーとして取り出され、風車がまわり、豆電球がつき、食塩水を分解することができる。 しかも今回は特に、自分たちの周りにある物質ばかりで作れたのだから余計に感動した。【物質エネルギー化学】についてまた一つ知ることができて、とてもいい経験だった。内容とは少しそれるが、今回のTAの女性の方が、詳しくは聞けなかったが中国人の女性であったと思う。京都大学の国際性にも触れることが出来た1日だった。
  • 中学校で習った備長炭電池を自作し、電圧や電流の値を見ることで、イオン化傾向を実感することができた。また、備長炭電池の電流量を増やす工夫が多くあり、どんな単純な仕組みでも本当に理解していないと工夫はできないと感じた。

2017年11月18日

  • 実施場所

    桂キャンパス A2棟504号室

  • 当日の講師

    大江 浩一 教授(工学研究科 物質エネルギー化学専攻 基礎炭化水素化学分野)
    三木 康嗣 准教授(工学研究科 物質エネルギー化学専攻 基礎炭化水素化学分野)
    岡本 和紘 助教(工学研究科 物質エネルギー化学専攻 基礎炭化水素化学分野)

  • チューター

    笹倉 康平、江口 輝、徳永 大祐

  • 実習の内容

    有機合成において欠かせないプロセスとなっているGrubbs触媒を用いたオレフィンメタセシス反応により、蛍光発光する分子を合成し、スペクトル解析により生成物の同定と物性調査を行った。

  • 岡本助教による実験講義と発光原理の解説
  • 物質エネルギー化学_実習風景大江教授による実験技術指導
  • 実験風景とチューターによる指導

活動を通して学んだこと

  • 二重結合にはσ結合とπ結合があり、π結合の方が弱く、π共役系が長いほど励起エネルギーが低下するため、π共役系を拡張するように分子を作ることで、より低いエネルギーで電子遷移を起こし、可視光を発する有機分子を作ることができるということ。窒素置換の操作の仕方。桐山漏斗の使い方。生成物の収率を上げるための様々な工夫のしかた。
  • 「どうしてこの白い粉で光るようになるのだろう?」私の正直な実習中の感想だ。今回はフェニルスチレンをGrubbs触媒を用いて、目的物を生成した。触媒を入れ撹拌するだけで新しい物質を作ることができることがあまり信じられなかった。実際ブラックライトを当て固体が光った時、私の手でつくったんだと、大きな達成感を味わうことが出来た。また私のサンプルをH NMRで精密に分析していたいた結果でも、しっかりと目的物を作ることが出来ていて安心した。 この世の中に有機化合物は登録されているだけでも一億2900万個あるそうだ。研究には創造力が大切だと改めて感じた。
  • 今回は、発光有機分子を作ったが、自分でそれを作ったということに、とても大きな喜びを感じ、そうして新しいものを作るということに大きな興味が湧きました。
  • 講義では、進路選択が迫られている状況では非常にありがたい各分野の特徴や、メインである有機化学について学んだ。これまでは、原子を自分で組み合わせて新しい分子を作り出せるということしか知らなかったが、結合の仕組みや具体的な実用例を教えていただいて、非常に理解が深まったように思う。特に、フグの毒の成分であるテトロドトキシンをきっかけにして医薬品を作ったというエピソードや、近iPhoneXで話題になっている有機ELの素材などにはとても興味が惹かれた。また、オレフィンメタセシスなどの触媒反応について教えていただいたときには、その反応の種類の多さや複雑さが様々な有機化合物をつくるために必要な要素になっているのだと感じた。発光についての説明では、電子遷移による励起や分子軌道の話など、難しいことが多かったが、何度も丁寧に説明してくださって本当にありがたかった。実験では、手順がそこまで多かったわけではないが、シュレンクなどの普段は使わない専門的な器具も多く、理解するまでに時間がかかってしまった。しかし、パートナーとの協力もあって、実験は無事成功し、純度も収率も高くて本当に嬉しかった。今回の実験を通して思ったことは、実験は非常に論理的に組み立てられているということだ。酸素と反応しやすいものを扱うときには窒素を充満させ、水が不純物となってしまう場合にはヘキサンを使用して、ろ過の効率を上げるために下から吸い取って、と、ありとあらゆる手順にきちんと理由があって、本当に驚いた。いずれは自分でもこのような実験を組み立てられるようになりたいと思った。
  • 私が知っている触媒反応といえば、「過酸化水素水を用いて酸素を生成するとき二酸化マンガンをいれて…」という様なもので、それ以外はほとんど無知であった。 説明を受けた時「化学反応を手助けする、化学反応式には書いちゃいけない 」といった教諭の発言が思い出されたが、それが単に化学変化を促進するだけでなく、むしろそれがないと対象の変化が起きないことになってしまうことなどを初めて知った。 
    今回の反応でGrubbs触媒を窒素雰囲気下で用いる必要があることや、フェニルスチレンという基質がその触媒反応によって発光分子が生成されることはもちろん、私にとってそれが2005年にノーベル化学賞を受賞していることさえ全く知らなかった。しかし、助教授やTAの皆さんの指導のおかげで、その反応はオレフィンメタセシスという名を持っており、二つのオレフィン(C-Cの二重結合でできたエチレン系炭化水素)同士で結合の組み換えが起こる反応を意味することを、細かく理解することが出来たと思う。 今回はmmol、μmol単位で分子を扱ったものの、測定がうまく運び、68.0%の高収率で目的物を得られることに成功し、また得られた対象にブラックライトを当てて、青く光らせることができた。とても嬉しかった記憶がある。 また、自分ではなかったが同じチームの代表メンバーの1^H NMRによる同定の結果が非常にきれいなもので、これもまた自分のことのように嬉しかった。 ELCASに参加してから、『研究』はこの自他に関わらない嬉しさに支えられている と思うことが多くなった気がする。
  • 学校の授業でほとんど理解できなかった授業の余談の内容が今回の実習内容に含まれており、今までよりも随分と理解が進んだので大変有意義だった。 大学の授業内容を少しだけでも知れて良かった。 また、実験器具は仕組みを理解して使用することが大変重要だと思った。

2017年11月4日

  • 実施場所

    桂キャンパス A2棟408号室

  • 当日の講師

    松井 敏明 准教授(工学研究科 物質エネルギー化学専攻 江口研)
    室山 広樹 助教(工学研究科 物質エネルギー化学専攻 江口研)

  • チューター

    宮﨑 一成、窪田 亮眞、大城 悠希

  • 実習の内容

    固体高分子形燃料電池の膜-電極接合体(MEA)を実際に作製し、発電する実験を行った。また、仕様の異なる電池を作製してその性能を比較し、電池特性への理解を深めた。

  • 物質エネルギー化学_実習風景電極触媒のインクを調製している様子
  • 物質エネルギー化学_実習風景燃料電池を発電し、風車をまわして観察している様子
  • 物質エネルギー化学_実習風景電池性能について、PCモニターを見ながら説明を受けている様子

活動を通して学んだこと

  • 道具から作る実験が楽しいこと。手順を確認することが重要だということ。トラブルが起きた時に落ち着いて対応すること。
  • スターラー、プレス機、マイクロピペットなど様々な実験器具の使い方。水素がガス拡散層を通って触媒インクに触れ、水素イオンになって電解質膜を通り、陰極から陽極へ伝わるなどといった、固体高分子形燃料電池の内部の仕組み。 燃料電池は発電効率が良いが、触媒の材料が高価であることや、ガス漏れなどの技術的な問題によって電圧、電流が理論値に達しないという課題が残されており、さらに全国的に水素の補給地点が多くないため、水素燃料車など、燃料電池を利用したものが普及するのに時間がかかること。 また、実験では電解質膜の厚さを変えて異なる発電結果が出たように、燃料電池の様々な部分の組み合わせを変えることで異なる発電効果が期待でき、それ故に燃料電池は色んな企業や大学で、それぞれのテーマで研究され続けられていること。
  • 今、地球のエネルギー問題は深刻化している。そして現代の人々は化石燃料に変わる代替エネルギーを探し求めている。そんな中、燃料電池が期待されている。燃料電池とは水素と酸素を使って発電する電池である。水素は一次エネルギーから効率よく作り出されるため、二酸化炭素を削減することができる。また発電時に発生する熱を使うことができる。燃料電池には様々な種類がある。固体高分子形(PEFC)、リン酸型(PAFC)、溶解炭酸塩形(MCFC)、固体酸化物形(SOFC)、アルカリ電解質形(AFC)と呼ばれている。現在最も発電効率が高いとされているのはSOFCの44~72%である。実用化もされていて、例としてはエネファームとMIRAIなどが挙げられる。 今回の実習では燃料電池を作成し、電解質膜の厚みによる電池性能の違いを実験した。結果は薄い方がよく発電した。考察としては、薄い方が水素イオンが電解質膜を通る時、より薄い方が速く正極に移動できるからではないかと思う。
  • 実際に燃料電池を組み立ててみて、知識だけではなく、手先の器用さなど多くのものが自分には足りていないなと痛感した。ただ、これまで何かを組み立てるというのはあまり興味がなかったが、今回のように、それがどのようなものか詳しく知ったあとに、組み立てるのは、とても面白かった。
  • 講義においては、燃料電池がなぜ今注目されているのか、といった社会的なことから、他の電池や発電方法との対比、より細かな燃料電池の仕組みなど、非常に幅広く参考になることを教えていただきました。震災以降火力発電に頼ってしまっている日本にとって、新たなエネルギー源を確保することは急務であり、その可能性の一つとして燃料電池が期待されているということは、エネルギー分野について考えていく中で非常に重要な事だと感じました。また、発生した熱をお湯を沸かすのに使ったり、H2は様々な一次エネルギーから製造可能な点など、実用的なこともたくさん教えて頂き、非常に参考になりました。 実験では、超音波スターラーやマイクロピペットなど、これまで使用したことのない器具をたくさん扱いましたが、学生の方々を中心に丁寧に使い方を説明してくださって、とても勉強になりました。また、高校では下準備を先生方がしてくださっていることもあって、3時間もかかる実験は初めてでしたが、楽しみながらも集中力を切らさずに最後までやり遂げることができました。そして、実験の終盤では、ミスが発覚した際も冷静に協力しながら対処して実験をやり直せたことで、改めて諦めないことの大切さを学びました。実験終了後は他の条件下で実験を行っていた他班の結果と比較することで、燃料電池をよりよくする要因を自分で見出すこともできました。
  • 「水素と酸素を混ぜれば電気ができて、排出物はなんと水だけハッピー!!」私の燃料電池に対するイメージとはこんな浅はかなものであった。
    だが、単にそれだけでは水素が爆発して燃えるだけで電気エネルギーとして取り出すことが出来ないとわかった。  また自分で作ることによって、燃料電池が数々の部品からできていることを知り、それが故に普及が遅れているのか、とも感じた。  実際に水素と酸素を用いて電流が流れるのを確認できふとすごく嬉しくなった。「モノ作り」にはこの興奮が欠かせないのかもしれない。
  • 今までぼんやりとしたイメージしか持っていなかった燃料電池について、社会でも普及してきていること、様々な種類があること、など知識はもちろん、実際に作って動かしてみることで仕組みや他の電池との違いなどが分かり、燃料電池について今までよりも深く理解できて楽しかったです。

[基盤コース後期]土の物理~ミクロからマクロへ~

農学研究科 施設機能工学研究室

2018年2月3日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 農学部総合館S173

  • 当日の講師

    村上 章 教授
    藤澤 和謙 准教授
    福元 豊 助教(長岡技術科学大学)

  • チューター

    森田 健太郎、古川 智大

  • 実習の内容

    2月18日の成果発表会に向けての準備を行った。また、講義全体の締めくくりとして、私たちの研究室で扱っている講義で学んだこと以外のテーマと、これからの学生生活における心構えを説明した。

  • 成果発表会に向けての準備
  • 講義の締めくくり

活動を通して学んだこと

  • 世の中には研究が進められている分野が無数にあり、自分がその存在を知らない分野の方が多くあることを実感することができた。自分が参加した「土の物理」もELCASに参加するまでは全く知らなかったが、ELCASに参加することで自分の世界を少し広げることができてとても有意義だった。ひとえに「物理学」と言ってもそれを使って宇宙から土粒子の動きまで研究できることと同じように、いかなる分野にもその応用先に制限は無く、その応用先を見つけ、開拓するのも研究者の重要な仕事だということに気づいた。
  • 既知のことを学んで理解するのは比較的簡単だが、それを新しいことに昇華させることがかなり大変だと思った。大学は教えてもらう受動的な場ではなく、主体的に自分の能力を磨いていく場だということを胸に刻んだ。
  • 今回はやっとグループのみんなと「対話」をしながら作業を進められたと思います。これまではメンバーのレベルの高さについていけない事がありました。ですが、ELCASの講師の先生方や研究意欲のあるメンバーがいる環境の下で学ばせて頂いて、少しずつ内容が分かってきて理解出来る事が多くなりました。仲間との共同作業から得られた充実感はとても良い経験になりました。実習の最後に教授から教えて頂いた「大学というのは自分で勉強するところだ。大学は教えるところではなく自分でつかみ取るところだ」という言葉に僕は感銘を受けました。これからの学習の指針となるお言葉を頂けた事は一生の思い出です。改めて、本当にこのコースに来て良かったなと思いました。
  • 成果発表会の準備をしました。今まで学んできたことをまとめることでかなり頭の中が整理でしました。まだ発表の振り分け等が終わっていないですが、メンバーと連絡しあって成果発表会で、きっちりとやりきりたいです。tryの方は始めDEMで噴砂のシミュレーションをするつもりでしたがなかなか難しく、山に雨が降った時の水の流れを計算することになりました。今までにやったのは3×3の正方形でしたが今回はもっと数も多く形が複雑です。それでもなんとなく出来そうな雰囲気なので、自分なりに挑戦してみます。elcasが始まる前は凄い長期間にわたってするのだと思っていましたが実際に始まるとあっという間でした。そのあっという間の間に様々なことを体験でき、とても充実した日々が過ごせました。また研究の楽しさも分かりました。最後に先生もおっしゃっていたように、一度きりの研究人生を悔いのないよう楽しんで送っていきたいです。
  • 今回はプレゼンの作成をした。だいぶ理解出来ていたと思っていたのだが、いざ順序立てて説明しようと思うと、うまくいかなかった。どの情報を出すのも唐突になってしまって、わかってもらえるか不安だ。人に伝えることの難しさを痛感した。
  • パワーポイントで今までやってきたことがどうやったら分かりやすく表現出来るのかということ。

2018年1月27日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 農学部総合館S173

  • 当日の講師

    村上 章 教授
    藤澤 和謙 准教授
    福元 豊 助教(長岡技術科学大学)

  • チューター

    友部 遼、森田 健太郎、古川 智大

  • 実習の内容

    土と水との相互作用によって起きるものとしてボイリング現象があり、これは地盤の崩壊や液状化にとって大きな原因である。
    今回の講義ではこのボイリング現象について理論的な説明の後、実際に実験室で砂と水を用いて再現を行い、受講生たちの前で現象を起こすことができた。
    その後、最終発表に向けての準備を始め、2班に分かれて発表の方針や内容について話し合った。

  • ボイリング現象の理論的な説明
  • ボイリング現象の実験の様子
  • 最終発表についての話し合い

活動を通して学んだこと

  • 測定でわかっている値をうまく使って代入などの式変形を繰り返し、求めたい値を求められるようにするまでの工夫を見て、研究者たちの理論面での努力を実感することができた。
  • 水の流れが土の粒子に与える影響を学び、実際にU字管に土を詰めて、水を流していき、限界動水勾配の手前まではほとんど変化のなかったU字管の片方の表面が、限界動水勾配を超えてから急に表面からボコボコボコっと土が溢れ出してきて、勢いよく砂を噴き上げて終わるという実験をして、普段当たり前のように使っている式の意味するところを実感を伴って理解できたと思う。
  • 浮力や動水勾配を計算しました。実験で思っていた通り土が出てくるまでの時間が長い事がわかりました。最初、水だけが流れる状態が長く続きますが、底面の水圧が上面の水圧を超えると土と水が混ざった泥が出てきました。これが噴砂の仕組みなのだと理解する事が出来ました。
  • 噴砂の仕組みについて、実験を実際に見ることなどで理解することができた。
  • 噴砂について学びました。噴砂という現象は今まで知りませんでしたが、実際に実験で見れたので良かったです。また、これまでに学んだことの両方を含んでいたので、復習的な面も多くわかりやすかったです。理論値と実験での結果を比べられなかったのが残念でしたが、機会があれば是非比較をしてみたいです。これに加えて、成果発表会の準備もしました。どういう雰囲気の発表会なのか全然イメージがつかないので、なかなか怖いです。自分たちの班では、今回した噴砂の実験をDEMを使ってシミュレーションすることになりました。
    家に帰ってから少しやってみましたが、水をどうすればいいのかが難しいです。あと1日しかないので家での時間も利用して、進めていきます。
  • 土の噴砂の計算の方法を学びました。また、実際の噴砂の実験も見せてもらいました。噴砂は、文字通り、土が吹き出すことです。水の流れの速さと土の摩擦力で、どれぐらいで砂が噴き出すか調べることができます。また、実際の噴砂を見せてもらえ、どんな風に動くのか見れて嬉しかったです。

2018年1月6日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 農学部総合館S173

  • 当日の講師

    村上 章 教授
    藤澤 和謙 准教授
    福元 豊 助教(長岡技術科学大学)

  • チューター

    友部 遼、森田 健太郎、古川 智大

  • 実習の内容

    水の流速を表す式であるDarcy則とある要素内での物質の流入出の総和を表す質量保存則を組み合わせた連立方程式を表計算ソフトであるExcelを用いて解くことで、土中の水の流れをシミュレーションした。

  • Darcy式の説明
  • 質量保存則の説明
  • Excelを用いてのシミュレーションを実行

活動を通して学んだこと

  • 今回の土中の水分量を連立方程式でしらべる講義で、障害物(土)の配置によって水の流れがどのようになるのかがシミュレーションできるようになり、個人的に気になっていたシンクホールという突然地面が抜け落ち、巨大な穴ができる現象についてのシミュレーションをすることが出来るかもしれないと思った。
  • 大量に計算して、得られた式や値をコンピュータに入力して、シュミレーションを行なうという操作を通じて、研究とは地味で単調だが頭も使う事務作業の繰り返しでとても大変だということが実感できた。それだけにうまくシュミレーション結果が得られたときの感動が大きく、研究を行うことの楽しさも実感することができた。
  • 今回エクセルを使って土中の水の流れをシュミレートする事をしました。エクセルで連立方程式が解ける事は知らなかったので、とても良い勉強になりました。Darcy則と質量保存則によるシュミレートは計算がややこしく解けるまで時間がかかりましたが、その分出来た時の達成感が得られたので良い経験が出来ました。最初は、土に連立方程式などの計算が関わるのかと疑問を抱いていましたが、水の流れる方向を計算で出せる事が分かり、底が面白かったです。今回の課題を理解出来たので良かったと思います。
  • 文字がたくさん使われている連立方程式を解く時は、エクセルをうまく使うと計算が簡単にできるということ。
  • 土に含まれる水の流れの計算方法について学びました。計算は多かったですが、結果は想像していたものと似ていて、とても楽しかったです。
  • 土の中の水の流れをexcelを用いてシュミレートしました。9つのマスに分割してそれぞれ式を立ててそれを連立方程式で求めました。その式もかなり長かったのですごい計算に苦労しました。その際にチューターさんが、excelを使ってなるべく楽に解く方法を教えてくださいました。今までこれほど長い式を解いたことがなかったので、計算方法の工夫のありがたさを痛感しました。

2017年12月23日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 農学部総合館S173

  • 当日の講師

    村上 章 教授
    藤澤 和謙 准教授
    福元 豊 助教(長岡技術科学大学)

  • チューター

    友部 遼、森田 健太郎、古川 智大

  • 実習の内容

    前回、内部摩擦角を求めるのに用いた砂、ガラスビーズ、パン粉についての
    土粒子密度試験について、原理の説明ともに、実際に実験を行った。
    実験に際して、ピクノメーターなど器具の説明や、地下実験室の紹介も行った。
    土粒子密度試験は、試料の空隙を求める他に、本コースで主に行う
    DEMのパラメーターとしても重要である。

  • 土粒子密度についての説明
  • ピクノメーターを用いて密度試験をしている様子
  • 次回の内容のイントロダクション

活動を通して学んだこと

  • パン粉と蒸留水をピクノメーターに入れて煮沸させた時に気泡をぬくのが大変でした。その後に、蒸留水をたしてストッパーをつけるのも気泡が入ったりして難しかったです。
  • ガラスビーズの密度を実験によって測定しました。実験の中にガラスビーズの中に含まれている空気を抜くために煮沸するという工程がありました。空気ご抜けると思っていたら、ガラスビーズに空気がくっついてしまいました。予想外の結果に驚きました。やはり実験には失敗が付き物だと改めて感じました。煮沸が終わるのを待っている時間に、大学の研究で使われる器具を説明して下さいました。こんなに本格的な器具を使うのかと感動し、これからの実験や大学での実験が凄く楽しみになりました。
  • 実験は多くの準備と地味な作業の繰り返しで、研究を行うために必要なデータを得ることは簡単にできることではないということを実感できた。
    EXCELを用いて連立方程式を解く方法を教わったがそれを理解するためには数学の「行列」の知識が必要で、自分はそれを既に独学で身につけていたのでよく理解できた。学校での勉強以外にも独学でで好きなことを勉強しているとどこかで役に立つということを体験できた。
  • 物の体積を測る実験を行いました。体積を測るといっても、普通の物は立方体のように長さや高さがきっちり決まっていないので、簡単に測ることは出来ません。実験では、水に物を沈め、質量の変化を測ることで体積を計測しました。私はパン粉の体積を計測したのですが、空気の泡がたくさんついてしまい、地道に針金で取り除きました。また、普段の実験に使っている実験室も見せてもらえ、とても良い経験になりました。
  • 今回は砂の体積を求める実験をしました。やり始める前、自分では水に砂を入れて溢れた水の体積を見るやり方しか思いつきませんでした。しかしそれでは正確にはできないということで、水がどのくらい置き換わったかで体積を求めました。電子天秤が風除け付きと高校では見たことがなく驚き、一層丁寧にデータを取らないとと思いました。また、実験室にも入れさせていただき、コンクリートの耐久実験装置など興味深いものが多くとても面白かったです。最後にexcelで連立方程式の求め方を習いましたが、仕組みがよくわからないのできちんと理解したいです。

2017年12月2日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 農学部総合館S173

  • 当日の講師

    村上 章 教授
    藤澤 和謙 准教授
    福元 豊 助教(長岡技術科学大学)

  • チューター

    友部 遼、森田 健太郎、古川 智大

  • 実習の内容

    土などの粒子を自由落下させたときに生成される山の角度である安息角を測定する実験と、実験結果を再現するシミュレーション、および実験とシミュレーションに先立った講義を行った。

  • 実験とシミュレーションの説明および基礎的な講義
  • 安息角を測定する実験の様子
  • 実験結果をシミュレーションで再現する様子

活動を通して学んだこと

  • 密度や摩擦係数を変えると現実に近いシミュレーションを行うことができる。
  • 途中、ぐだぐだになっていたくだりがあったのでそこを改善したいと思います。自分たちの身近にあるパン粉が実験材料になっていて、興味深かった上、いい研究データも取れて良かったです。
  • コンピューターは膨大な数の計算をこなすが、やはり、あまりにも量が多くなると動作が遅くなるということを実感した。
  • 様々な種類の粒のシュミレーションは密度や摩擦係数といった粒子の情報をうまく設定することでできることがわかった。現実での実験とコンピューターでのシュミレーションを比較することで、砂の摩擦角といった物理において重要な値を計算以外の方法で求めることができることに驚いた。
  • Excelなどのコンピュータソフトを活用した実験結果の分析。実験に対する試行錯誤。実験のデータの記録。
  • 今回もDEMを使った実習でした。しかし前回と違って実際に砂、ガラスビーズ、パン粉を用いて安息角を測りその結果に近づくように摩擦角と転がり係数、減衰の値を変えていくというものでした。一つの結果に近づくように三つの値を変えていくのはパターンが多すぎてどこか手をつけたらいいのかわかりませんでした。分からないながらにも数値をいじってみると、少しの値の変化で結果がかなり変わっていってやっていて飽きなかったです。データを頂けたのでまた家でもやろうと思います。

2017年11月18日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 農学部総合館S173

  • 当日の講師

    村上 章 教授
    藤澤 和謙 准教授
    福元 豊 助教(長岡技術科学大学)

  • チューター

    友部 遼、森田 健太郎、古川 智大

  • 実習の内容

    本コースで学ぶ数値計算法の主要なツールであるDEM(個別要素法)についての
    詳細なアルゴリズムの説明と演習、そしてそれが組み込まれたプログラムを用いた
    計算練習を行った。計算練習の内容については、プログラムの基本的な使い方や
    少数の粒子の衝突、その描画といった基本的なものだった。

  • DEMアルゴリズムの説明
  • 基本的な粒子衝突プログラムを動かしている様子
  • 基本的なパラメータ変更の説明

活動を通して学んだこと

  • 計算がむずかしかったけど、ボールを動かすのが楽しかったです。壁を作るときに思ったとおりに作らなくて大変でした。
  • DEMを率いて計算をすることが思った以上に興味深くて、再来週の講義が楽しみになった。今日の講義で動かない時と動くときの接触点に対する相対速度について理解できてよかった。再来週の講義で円運動などの公式を頭に入れながらDEMの計算を考えていきたいと思う。
  • コンピューターは計算が異常に早くできるだけであるが、それは侮ることが出来ないほどの多くのことを実現可能にするということを実感した。
  • 今回の講義で初めてコンピュータを使った実習をさせて頂きました。自分で計算内容をいじくり、結果を予想してその通りに出来た時がとても嬉しかったです。example01の実習がとても充実していて、建築士の方は設計図を書く際は今回のように予測を立てながらされてるのだと思いました。単位ベクトルが自分一人では全く出来なかったので、もっと勉強しようと思いました。
  • 普段何気なく使っているコンピューターは、実はその裏側で大学生レベルの計算を大量に行うことでやっと一つのアプリケーションを動作させているということ。
  • 前回までに学んだ数式をより深め、それを活用したプログラムであるDEM計算の使い方を学びました。前回はよくわからなかったことを、今回は何とか理解できたことがとても嬉しかったです。DEM計算は物体の性質や位置を定め、障害物を配置してどのように動くかを確かめるものです。とても沢山の計算を代わりにしてくれたのか目に見えて、コンピュータが科学の発展に大きな役割を果たしたのかを感じました。
  • 先週、兵庫県総合文化祭に参加し他校の部活等の研究を見る機会がありました。その時に結果を鵜呑みばかりせずに、「こうしたらもっといいのではないか」ということや「ここは違うんじゃないのか」というふうに見ることができました。 前回のELCASを欠席してしまったので、ついていけるか不安でしたがTAの方達が親切に声をかけてくれたりして、分からないこともその場で解決できました。高校でやっている円運動やトルクの公式で粒子の運動を求めることができ一見複雑そうな運動でも物によれば意外とわかりやすく求まるのだと分かりました。パソコンを用いて粒子のシミュレーションもでき、あっという間の4時間でした。

2017年11月4日

  • 実施場所

    吉田キャンパス

  • 当日の講師

    村上 章 教授
    藤澤 和謙 准教授
    福元 豊 助教(長岡技術科学大学)

  • チューター

    友部 遼、森田 健太郎、古川 智大

  • 実習の内容

    本コースのガイダンス、土壌の基礎知識や物理的特性、DEMの基礎を講義した。DEMはDistinct Element Method(個別要素法)の略語であり、このコースで学ぶ数値計算法の主要なツールである。

  • 土の物理~ミクロからマクロへ~_実習風景本コースのガイダンスと土の基本的性質の説明
  • 土の物理~ミクロからマクロへ~_実習風景土の物理的特性の説明
  • 土の物理~ミクロからマクロへ~_実習風景DEMの基礎となる数学や物理法則の説明

活動を通して学んだこと

  • 物理の知識はいろいろな事に使えるということと、土は土木としか関係がない訳ではなくいろんな所と関係がありということ。
  • 土の物理がとても数学的で面白かった。DEM式についての講義もたのしみです。
  • 土という生活のかたわらに常にあるものですら、私たちは深くを理解できていなかったということを知れた。コンピューターが人のおよびつかないほど高性能であると思っていたが、四則演算を物凄い速度で繰り返しているだけで、数学という分野内だけでも、人間に簡単にできて、コンピューターにできないことがあると知った。コンピューターがその役割を自分自身で考え、自分自身を有効に使いこなせるようになるには遠い未来の話だと思った。
  • 粉粒体とつぶつぶの視点の話が印象に残っています。僕はこれまで土は固体だと思っていましたが、豪雨や地震で土砂崩れになれば、それは水のような流体となります。「固体と流体に区別して説明できない」という考えが僕には新鮮で、これまでとは違った視点で見る事でこんなにも見える世界が違うのだと分かると大変感激しました。
  • 今まで全く知らなかった世界を知ることができた。また、それによってこれからの活動へ期待感が高まった。自分は高校1年生でさらに高校の授業計画が他の高校と異なっているせいで、他の受講生はすでに習ったが自分はまだ知らない内容が多くあった。他の受講生との差を埋め、講義についていけるように予習しておく必要があることがわかった。
  • 物事は式で表せるということ。すごく数学が道具なんだな、ということ。

[基盤コース後期]電気電子工学

2018年2月3日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 総合研究9号館2階 I202

  • 当日の講師

    石原 亨 准教授(情報学研究科 小野寺研究室)
    塩見 準 助教(情報学研究科 小野寺研究室)

  • 実習の内容

    最終発表会に向けて、プレゼンテーション講座と題して、プレゼンテーションの適切な方法を指導した。最終発表会で発表する内容に関して事前に希望調査を行っていたため、希望するテーマに基づいて7人の受講者を2つのグループに分けた。次に、各グループに分かれて1時間半ほどの時間をかけてディスカッションしてもらい、最終発表会に向けてパワーポイントスライドを作成させた。最後に、各グループでディスカッションした結果を作成したスライドに基づいて各15分ほどで紹介してもらい、質疑応答を行った。

  • プレゼンテーション講座を聴講する風景
  • グループディスカッション風景1
  • グループディスカッション風景2

活動を通して学んだこと

  • プレゼンのストーリーの作り方を学んだ。話し方や、プレゼンをするときのちょっとしたテクニックを知った。
  • 学校の授業などでもパワーポイントを作るということは何度か行った事がある。しかし、細かくメッセージ、ストーリーに関して意識してことはあまりなかった。今回、時間内にメッセージがまとまりきらず、とりあえずで作ってしまったので、全体的に統一感のないスライドになってしまった。 また、一人でする作業とは違い、みんなで作るので、発表を聞きにくる人以前に、仲間で何を伝えたいか共有しておくことが大切なのだと思った。
  • 研究発表において伝えたいことを上手く伝えるのは案外難しいと実感しました。自分たちが思っているよりも聞き手側は内容を理解しておらず、電波について基本的なところから説明していかなければならないとわかりました。また、ただ説明するだけではなく、聞き手も楽しめるようなユーモアに富んだ発表のほうが伝わりやすいとわかりましたが、実際にそのような発表を作るのは至難の業でした。パワーポイントはスライド数を増やし過ぎないほうが良いというアドバイスをいただきましたが、内容を簡潔にまとまとめるのは難しく、聞き手に必要な情報だけを伝える大変さを思い知りました。しかし、ストーリーは伝わりやすく作ることができました。また、相手のグループの発表を見て、改善点を考えるのも、大変勉強になりました。

2018年1月20日

  • 実施場所

    吉田キャンパス総合研究9号館 I-202

  • 当日の講師

    延原 章平 講師(情報学研究科 知能情報学専攻 画像メディア分野)

  • チューター

    村井 聖

  • 実習の内容

    スマートフォンなどに使用されているものと同等のカメラを備えたRaspberry Piを用いて、撮像素子から得られる原信号がどのようなものであるのか、そしてそこから実際にユーザが見ることになる画像へと現像されるのか、について実習形式で学ぶ。具体的にはレンズによる口径蝕が発生するメカニズムとその補正方法、カラーキャリブレーションの考え方と実行方法、ガンマ補正に代表されるトーンマッピングの意味などについて、pythonでプログラムを書きながら実習する。

  • Raspberry Piにカメラモジュールを接続している様子

活動を通して学んだこと

  • 本来明暗に差が出るはずの写真を、補正することによって私たちが目で見ているような色に近づける「ガンマ補正」について、その仕組みを学習した。
  • デジタル画像はただ単にカメラがとらえた映像をそのまま写しているのではなく、RAW画像をカメラ内部で補正し、さらに表示デバイスに情報を受け渡しする際にもガンマ補正が行われているのだと学ぶことができました。拡散フィルターを通して撮影した写真を使い、画像一面が最高輝度と同じ輝度で統一されるようそれぞれの画素の輝度を拡大する「周辺光量落ちの補正」や、カラーチェッカーを撮影し、[R,G,B]がそれぞれ何倍されれば期待されている色になるのかを調べ、補正する「カラーバランス補正」など画像の補正法を理解でき、とても関心が持てました。ただし、先生がおっしゃっていたように、デジタル画像と印刷画像との間には大きな色彩の差があることは問題だと感じました。なぜ印刷するとガンマ補正が大きくずれてしまうのかについても知りたいです。
  • 部屋の壁に小さな穴を開けると外の像が映ることが知られていた。15世紀それを小箱で再現しを手書きで写す、ピンホールカメラ。長くを経て19世紀1826年、アスファルトを感光材にして撮るカメラが開発された、今ならば1秒もかからない撮影に8時間かかったそうだ。しばらくして1839年、銅板を化学的に反応させて撮るもの、1841年の銀塩フィルムのもの。この銀塩フィルムの技術はいまでも使われているという。そして、様々な改良を経て世界中に普及したフィルムカメラだったが、今や修学旅行生と、マニアの間でしか見ない、自分も実際に使ったことはあるが、一度だけだ。 フィルムカメラが化学変化によって写真を撮るのに対し、デジタルカメラは光を電気的な符号に変えて撮る。しかし、光を電気符号に変えただけの「生の写真」は、色調もおかしければ、歪んだり、画像の縁が暗くなったり、補正が必要なものだった。 画像の補正と聞くと、プリクラやSNS映えを狙った写真が思い浮かぶ。だが、今回の実習で、カメラのレンズで『撮影』した画像は、そのように普段想像するものとはかけ離れたものであり、自分たちがよく見る画像は、生の写真をもとに『作られた』画像であるということを知った。 細かい方法などはここでは省略させてもらうが、数学的にデータを調節するだけではなく、人間の目も利用し、調節しているということを知った。 また、写真などの人間のための製品を作るためには、人間のことをよく知ることも大切なのだとわかった。
  • 画像の周辺部の光量落ち、カラーバランス、知覚的な綺麗さの補正の仕方を知りました。また、TV, スマートフォン、ディジタルカメラなどの画像や蛍光灯の色など、身の回りの製品の殆んどが、人の目に入ってきやすい色を多くするように加工されていることを知りました。
  • スマートフォンに搭載されているデジタルカメラはどのようにして写真を撮影しているかについての講義だった。写真を撮影すると光の量の問題で、外側は暗くなるという問題があります。それを解決するためにどれ程暗くなるかをあらかじめ数値化し、逆補正を行うことで人間が普段見ているような風景を写真で撮影できるということだった。その他にも様々な補正をデジタルカメラで撮られる写真には行っているのだが、それらは全て写真を人間の視覚に近づけるという目標が根底にあった。今までの実習内容について振り返って見ると、言語の認識等を、人間が行っているものと同じように出来るようにするための技術開発等、やはり、スマートフォン等のコンピュータで人間が簡単に出来ることを出来るようにするための技術に関する内容が主だったので、現在のスマートフォンに使われる技術の方向性がわかった。

2018年1月6日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 総合研究9号館 南棟 I-202

  • 当日の講師

    黒橋 禎夫 教授(情報学研究科 知能情報学専攻 言語メディア分野)
    河原 大輔 准教授(情報学研究科 知能情報学専攻 言語メディア分野)
    村脇 有吾 助教(情報学研究科 知能情報学専攻 言語メディア分野)

  • 実習の内容

    言語処理の概論講義、計算アルゴリズムの演習、言語処理のプログラミング演習

  • 言語処理の概論講義
  • 言語処理のプログラミング演習

活動を通して学んだこと

  • 単語を文脈などの関係から、数値化することによって、単語や文どうしの類似度を求めることができると分かった。ある単語を入力すると、それに似た単語が表示されるのがとても面白かった。
  • コンピュータのテキスト処理の方法やソートの方法などを知ることができました。ソートについては、どのソート法も無駄が多いため、まだ改善の余地があり、ソートにかかる時間もまだまだ減らしていけるはずだと考えました。また、私はこれまでプログラミングをした経験がなかったのですが、選択ソートとバブルソートのそれぞれのコード例を説明していただき、コードの様相を知ることができました。Word2vecを使っての実習では、コンピュータが文を単語ごとに区切ることができるほどに技術が進歩していると知ることができました。
  • 私たちが言葉を発するとき、主語動詞etcなどを気にして話すことは少ない、無意識のうちに行なっているのだろう。しかし、コンピュータはそうではない、決められた方法を使って「話す」 コンピュータが自然言語に接するとき、私(あまり英語が得意でない人)が英語に接するときと同じような手順を踏む。文節を区切り、キーとなる単語を見つけ、文全体の意味を理解する。たくさんの文章を読めば、言語に対する理解度も高くなる、人間が10文読む間に、コンピュータは100、1000、(もっとかもしれないが…)読むのだろう。そうして作られたコンピュータの文章理解力はある意味では、人間を越すのかもしれない。ただ、文章を文字から理解するのには限界もあると思う、詩的な韻文などの省略や、作者の背景を知らなくてはわからないような文章もあるだろうからだ。もし、そういった背景知識も学ばせ理解することができたなら、もはや人間に引けを取らないと言えるだろう。 文章中で単語の使用頻度を調べる際に、文字のコード化と、並び替えのアルゴリズムを使用しているということがわかった。主流の文字コードの一つとして、utf-8がある、忘れかけていたが、私は以前に利用したことがあった、HTMLの編集をしていたときである、HTMLの最初にどの文字コードを使用するかという定義をしなくてはならない、その際に見ていたのだ。ほぼ毎日見ているWebサイトで利用されているという意味では毎日お世話になっている、世界共通のコードを使うことで、文字化けを減らしたり、計算式の共通化ができるということがわかった。 単語をベクトルで表すことで、単語の距離、意味合いの近さを表すことができるということがわかった。それにより、意味が近いと思われる単語を置き換えて考えたり、似た文章として理解したりすることで、より的確な文章理解に繋がると思った。多義語などの曖昧な意味を理解することができれば、より良くなると思った。
  • 翻訳機能がきちんと作動するには、多くの情報解析とそれを最大限活用するためのプログラミングの技術が必要だとわかりました。
  • 翻訳を、文脈を学ばせることで可能にすると言うのがすごいと思うと同時に、翻訳と言う、文系のようなことにも数学が利用されていたことに感心しました。
  • インターネット上などでの言語認識に使われる手法について学習した。莫大な量のデータベース上にある単語の相関関係や類似度プログラミング言語を用いてソート(並び替え)を行って例えば京都という言葉と大阪という言葉はベクトルとして近いということなどを知った。だが問題点も多く、有名な問題としては外国人参政権と言う言葉が外国 人参 政権といった風に分けられ英訳される等がある。こういった内容について最終発表で紹介しても面白いかもしれないと思う。

2017年12月16日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 総合研究9号館南棟

  • 当日の講師

    新熊 亮一 准教授(情報学研究科 通信情報システム専攻 大木研究室)
    佐藤 丈博 助教(情報学研究科 通信情報システム専攻 大木研究室)

  • チューター

    上林 将大、山田 祥充、宮野 功晟

  • ボランティア

    榊原 太一、澤 孝晃、林田 尚之、兵頭 直樹、平野 佑季

  • 実習の内容

    通信ネットワークの基礎を模擬講義にて学習した後、ノートPC、スマートフォン、スイッチングハブ等を使用して、動画ファイルの転送を行うネットワークを構築した。パケットキャプチャのソフトウェアを用いて、データパケットが模擬講義で学んだプロトコルにしたがって実際に伝送されていることを確認した。

  • 実習の様子
  • 実習の様子
  • 実習の様子

活動を通して学んだこと

  • 普段使っているインターネットの裏側でコンピュータ同士の様々な約束事があり、それらを瞬時に、また的確に処理し、クライアントにデータを届けているということがわかった。IPアドレスや、ネットワークなど学校の情報の授業でも聞いたことがある単語やその意味をよりわかりやすく、より深く学ぶことができた。実習では、大学4回・院生の方から教えてもらいつつ、スピーディに進めることができた。二代のパソコンを有線で繋ぎデータを送ることから、無線を使って送ることまで行った。小さいながらもネットワークができた。この隣の人と有線で、近くの人の端末と無線で、データをやりとりしていき大きなネットワークを作っていったのだと思った。また、たくさんの人とデータの共有をする中で、素早く目的地を探したり、セキュリティ上の問題があったりして、今の形になっていったのだと思った。これからは、IoTの時代、AIの時代など言われている。その中でブラックボックス化しつつあるシステムの一端を知ることにより、より良い、安全で使いやすいシステムを作っていけるのだと思った。
  • 有線と無線の通信について学んだ。サーバにつないで情報をやり取りする際、コンピューターが実際にどのような信号を送受信しているのかということについて、パソコンの動画をスマートフォンで閲覧することによって学んだ。また、自分は、人工知能に興味があり、プログラミング言語についても少し教えていただいた。
  • データを送り合うときに段階を分けて通信をしていると言うことがわかりました。
  • 僕たちが日常的に使っているコンピュータが一つのデータを通信するときに、コンピュータ同士が互い膨大な量のやり取りをしていることを知りました。

2017年12月2日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 総合研究12号館、国際イノベーション棟

  • 当日の講師

    佐藤 亨 教授(情報学研究科 通信情報システム専攻 超高速信号処理分野)

  • チューター

    村垣 政志、大石 健太郎、塩野 佑貴

  • 実習の内容

    レーダー計測の原理と、主に人体を対象とした計測技術について、特に高校において学習する数学(および大学で学習する数学の基礎的部分)との関係に重点を置いて解説した。次にミリ波レーダーを用いて簡単な計測実験を行わせた。まず反射体となるコーナーリフレクタを、厚紙とアルミフォイルを用いて自作させた。各自が制作したものをレーダーで実測し、反射強度を定量的に比較させた。さらに心電計とレーダーによる心拍計測を体験させた。最後に総合討論を行った。

  • レーダ技術に関する説明
  • コーナーリフレクタの制作
  • レーダー装置の説明

活動を通して学んだこと

  • 人間が見ているものを、機械にも理解させるにはどうすれば良いのか。単純に人間と同様に可視光線のカメラを利用したものでは、視界不良時の誤作動や、脳の情報補足の点で劣る。そのために、可視光の他に音波や電波を使う機械が作られてきたのだろう。それぞれに長所短所があり、それらを場面により使い分けているのだと知った。そして、レーダーの反射により生体の微弱な動きを検知できるというのには驚いた。私はこれまでレーダーといえば、軍事用の大きなものか、雨雲などを大体で捉えるぐらいの精度しかないものだと思っていた。しかし、今回離れた距離から心臓の拍動による距離のズレまで測れるということを知った。いずれは、距離を測り複数人から個人別のデータを抽出、解析するところまで自動化されるのだろうと思った。研究だけでなく製品化する場合は、機器の強度・小型化や電力を得る方法、万人に使えるかまで考える必要があるのだと思った。また、高校で学んだ知識も大学、その先で生きてくるのだと思った。
  • レーダーについて現在どのような場面で使われているのかを知ることができました。また、自動運転などこの分野では研究が進んでいると思っていましたが、レーダーの研究を社会で実用化するにはまだ問題点も多く、開発の余地がある分野だとわかりました。教授は将来的にはレーダーを使い家族の健康チェックやオフィスでのストレスチェック、幼稚園や老人ホームでの見守りなどを目指しているとおっしゃいました。それが実現したら、特に待機児童問題や介護問題の人員不足を解決できると思います。また、コーナーリフレクターの実験では少しの差異が実験結果に大きな誤差をもたらすと実感しました。
  • 僅かな振動に着目して、そこから心拍数などに結びつけているところがおもしろいと思いました。また、大学の研究は必ずしも工業のみで役立つのではなく、医療などにも応用できるということを学びました。
  • 高校数学の重要性と電気電子工学におけるその応用

2017年11月18日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 総合研究9号館W303

  • 当日の講師

    山本 高至 准教授(工学部電気電子工学科 伝送メディア分野 守倉研究室)

  • チューター

    香田 優介、吉川 慧司

  • 実習の内容

    和積変換公式を用いて音声帯域でのディジタル変調信号を生成し、オシロスコープやスペクトラムアナライザで観測するとともに、同期検波により受信。ハミング符号によるディジタル系列の誤り訂正・検出の原理を説明し、手計算により誤り訂正ができることを確認。

  • 無線LANの帯域についての説明
  • ディジタル変調信号の生成
  • ディジタル信号の受信

活動を通して学んだこと

  • アナログデータをデジタルデータにする標本化・量子化については学校でも少し習ったが、それを電波によって送る方法は初めて知った。電波のうねりを利用して高低を作り、0と1を切り替えているのだと実習を通してわかった。標本化・量子化の取り方によって、音質(データ)に大きな影響、音が荒れるだけではなく、ノイズが混じって、全く別物になってしまうものだと思った。また、限りなく細分化すればアナログ音源とほぼ同等なものを再現できると思ったが、無駄にデータ量が大きくなってしまうとも思った。デジタルデータは、0と1の配列で全てを表す。誤りがあるとまったく違うものになってしまうので、訂正する必要がある。その訂正用のデータが案外バカにできない数字なのだとも思った。大量のデータをやり取りするようになるである、現将来においてデータ量を小さくしたり、回線・サーバーの強化により、通信速度を上げて行くということが一つの課題なのだと思った。
  • 音波の唸りの実験では、どのように機械を操作したら波形が観察できるのか自分で機械を触って実験しました。結果をもとに次はどの操作を試すのか考える力が身につきました。また、搬送波は何Hz差までが有効か調べる実験では予想を立てて実験を行い、結果に応じて予想を修正するという作業の意義が感じられました。さらに、音波で通信を行い、その問題点を考える実習では、多角的な視点から実験結果を考察する必要性がわかりました。
  • 電波を用いて、情報を伝達する技術について学んだ。波の正負によって、ビットが0か1に定められているのだと分かった。うねりの実験が面白かった。
  • 情報を電波を使って送信することが今回のテーマだった。電波の周波数は高すぎるためにその代わりに音波を使ってabcdefghという文字列を送ることに成功した。さて電波を使って情報を送るうえで避けられないのが情報の誤変換である。それを防ぐために送りたい情報に付け加えて、誤変換を発見し、復元するための識別コードを使っている。これはバーコードなどにも使われている技術で、細かい説明は省略するが4桁の情報を送る際には3桁のコードを用いて情報を復元する。ロジックを用いて、実生活に役立つ技術を開発していることが分かった。
  • 電波と音波という性質の異なる波の種類を応用して音波で信号を送ろうという点がおもしろいと思いました。また、低音質、高音質などがどのようにされているのかもわかりました。
  • 無線通信において三角関数、積分、複素数平面など、たくさんの数学の知識が使われていることを知りました。

2017年11月4日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 総合研究9号館

  • 当日の講師

    廣本 正之 講師(情報学研究科 通信情報システム専攻 佐藤高史研究室)

  • チューター

    森田 俊平、中村 公暉、名倉 健太

  • 実習の内容

    計算機の仕組みについて学び、演習を通じ論理回路の基本を理解する。その場で回路を試作・テストできるICトレーナーという器具を使い、汎用ロジックICを用いて足し算を行う回路を設計・制作する。実際に回路を設計し、組み立てて動作させるという作業を通じ、計算機の基本的な構成を理解する。また、回路を意図した通りに動作させるために試行錯誤を繰り返す体験を通じ、ものづくりの難しさと楽しさを実感させる。

  • 電気電子工学_実習風景ロジックICを使ってブレッドボード上に加算器を組み立てる
  • 電気電子工学_実習風景製作した回路が正しく動作するかを確認中
  • 電気電子工学_実習風景完成した4ビット加算器

活動を通して学んだこと

  • 学校の情報の授業でコンピュータの歴史や仕組みの概要は習ったが、トランジスタが45nmと、とても小さく、またそのことにより、スマホやコンピュータには想像をはるかに超える数のトランジスタが使われていることがわかった。  実習では、論理回路を学び、加算器を作った。論理回路は、以前その理論を学んだことがあったので、今回も含め基本は押さえられた。しかし、実際に加算器を組み立てるとなると話は別だった、コードが煩雑になり、自分でもどのようになっているのかわからなくなってしまった。そこで大学生の方が、紙に今作っている回路の接続を書いてみたらどうか、とアドバイスしてくださった。すると、自分のミスに気づき、無事半加算器、全加算器を作ることができた。時間内に4bitまではできなかった、独力ではそこまでもたどり着かなかっただろう。頭で考えたものを、いきなり複雑なものに作り上げるのではなく、一度簡単なものに置き換えるということの大切さがわかった。また、単純な計算一つにこれだけの裏方の作業があるのだと身にしみて感じた。
  • 計算機や論理回路の基本的な仕組みを知ることができた。また、ロジックICと配線を組み合わせることで、4ビット加算器を作ることができたり、加算器をさらに改造することで4ビットカウンタが作れたりと基本の知識を組み合わせていくと応用的な装置も作成できると学びました。また、配線を考えていく上で、情報を元に整理し、順に理論立てて考えることの重要性や、準備段階として設計図を考えることの必要性も学びました。さらに、失敗した際に、まず原因を推測することで迅速に解明することができると実感できました。
  • 計算機の歴史や二進法、論理演算について学び、論理演算を用いて、半加算器と全加算器を作り計算機を作成した。
  • 電子回路の基本はトランジスタという半導体によるスイッチングによって入力から任意の出力を作ることだと分かった。 具体的に概要を説明すると入力が1の時1は0を、入力が尾の時に1を出力するCMOSと呼ばれる回路やその応用系をトランジスタの組み合わせによって作成し利用している。 そしてそれらを組み合わせれば、加算器を作ることができる。これまでに何度かブレッドボード上に並んだ配列というものをみたことがあったが、どこがどういう仕組みで計算ができるのかということはわからなかった。 だが今回実際に自分で加算器を作ったことでその原理を少し理解できたと思う。
  • トランジスタによるコンピュータの演算の仕方や、回路による大まかな信号の送り方が理解できました。
  • 身の回りにある様々な機械に組み込まれているコンピュータ(計算機)の基本的な計算方式が分かりました。

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平成29年度 実施レポート

年度別の実施レポート