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液中微粒子の集団性を利用した沈降・拡散挙動の制御
粒子の沈降挙動を自由自在にコントロールする
懸濁液中に濃度差が存在することによって現れる粒子の集団性を上手く利用して、沈降速度を促進させたり、複雑流路中における粒子の分散挙動をコントロールするような技術を紹介します。
研究の内容
濃度差によって生じる液中微粒子の集団性を上手く利用して、沈降速度や分散挙動を能動的に制御する技術を提案します。不均一に分散した粒子の沈降形態は、懸濁条件を変えることによって集団的な挙動が見られるようになります。この集団的挙動に密接に関連する濃度界面近傍の粒子の挙動を理解するとともに、それを積極的に利用することによって、各種工学プロセスにおいて重要となる沈降促進、分散制御、輸送効率の向上などを目指しています。
原田 周作 准教授 Shusaku Harada博士（工学） -
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外来種アライグマ対策コスト削減のための
巣箱型ワナ開発低密度状況で効果的・効率的防除手法を目指して
日本に侵入した外来種の防除対策について、対象種の生態・行動学的特性に合わせ、かつ人間社会の状況に対応した効果的防除技術・戦略の提案を目的に研究を進めています。本研究では、アライグマの樹洞営巣習性を応用した効率的な捕獲ワナを開発しました。
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野外に設置した巣箱型ワナと捕獲されたアライグマ
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研究の内容
北海道を始め全国的に増加し、被害をもたらしている外来種アライグマの防除対策は喫緊の政策課題であり、対策現場では長期化する防除事業のコスト削減が最重要課題となっています。従来の捕獲方法は、誘因餌を用いた箱ワナによる捕獲だけに依存しており、他の動物の混獲予防と誘因餌の交換のために、捕獲の有無にかかわらず毎日の見回り・点検作業を必要とし、低密度化した後でも作業量は低減しないという問題がありました。本研究で開発したアライグマの樹洞営巣性という習性を応用した巣箱型ワナは、誘引餌が不要で混獲も少なく、毎日の点検が不要で防除コストを極めて低価格に抑えることのできるワナになっています。さらに、捕獲情報を電波によってオフィスで受信できるシステムを付与することで、少人数で広範囲な防除対策を低予算で実施することを可能にしました。
池田 透 名誉教授 Tohru Ikeda文学修士 -
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社会技術システムとしてのバイオマス利活用に関する研究
地域循環によるバイオエネルギー普及を目指して
循環計画システム研究室では、生ごみ、下水汚泥、家畜ふん尿、林地残材や稲わら等のバイオマスを地域内で利用し、地域分散型のバイオエネルギーを創り出すための、技術と社会の仕組み作り（社会技術システム）に関する研究をしています。
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左図の説明
＜バイオマス利活用システム構築で考慮すべき要素＞
健全なバイオマスの利活用システムを構築するためには、事業の目的を明確にした上で、(1)バイオマスを収集・運搬するインプット、(2)エネルギー利用や残渣の処理といったアウトプット、(3)インプットの性状に応じた変換技術の選択、(4)事業採算性（事業主体）、そして(5)地域特性のすべてを一体として考える必要があります。
研究の内容
本研究室では、バイオマス（生ごみ、下水汚泥、家畜ふん尿、林地残材、稲わらなど）から燃焼やメタン発酵によって回収されたエネルギーを、地域内に存在するエネルギー需要者（公共施設や介護・福祉施設、ビニールハウス等の農業施設、食品工場等）と結びつけることにより、環境と地域振興（経済）の両方に貢献できるシステム提案（実験やフィールド調査に基づく計画、モデリング、評価）を行っています。さらに、民間企業の協力を得て、寄附分野循環・エネルギー技術システム分野（古市徹客員教授、藤山淳史特任助教、http://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/mces/）とも連携し、エコで安全なエネルギーに関する研究を行っています。
石井 一英 教授 Kazuei Ishii博士（工学） -
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台風強度及び豪雨の発達予測システム
雷放電計測から数時間先の豪雨と数日先の台風発達を予測
都市部でのゲリラ豪雨や大規模な台風は甚大な災害を引き起こす。災害を防ぐためには発達度をいち早く予測することが重要である。本研究は、局所発達する雷雲や台風勢力圏内で発生する雷放電活動から、数時間先の豪雨や1-2日先の台風強度を直前予測する。
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V-POTEKA Network
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2019年台風13号の予測結果
（黒線：雷数、赤線：風速、青線：気圧）
研究の内容
本研究は、雷放電から放射される1-50 kHz VLF帯電磁波動を複数拠点で同時観測し、都市部で発達する雷雲や、台風を構成する積乱雲における雷活動を準リアルタイムで監視することで、数時間先の豪雨や1-2日先の台風強度がどのように発達するかを簡便に直前予測する手法を提供する。豪雨や台風の規模予測に従来用いられている複雑で専門的な数値気象モデルとは一線を画し、雷放電数や放電規模といった雷活動の指標を用いることで、数時間から数日先までの強度発達を正確かつ簡易に予測可能とする。
日本を含むアジア域の雷活動を監視するため、雷放電が放射する1-50 kHz VLF帯電磁波動の観測システム(V-POTEKA)を25拠点に設置している。そこで得たデータから雷発生時刻・位置・放電規模を準リアルタイムに推定している。佐藤 光輝 教授 Mitsuteru Sato博士（理学） -
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低酸素水耕システムや過湿ポット栽培を利用した作物耐湿性の簡易サーベイ法
短期間、幼植物を特別な環境で育てることで、耐湿性に優れた優良な育種母本や品種を探します
一般的に湿害は作物収量や商品価値を著しく損なわせ、特に耐湿性の弱い品目を水はけの悪い畑で栽培するとその被害は甚大となります。本研究では簡易な栽培装置を用いて、短期間で作物の耐湿性サーベイが可能な手法を考案しました。
研究の内容
作物苗をポット栽培し、生育途中の5-10日間に、根域過湿条件になるようビニルで細工し、作物のバイオマス変化を追います。これにより、湿害が起き得る過湿期間や、湿害が起きやすい生育段階の割り出し、同品目内の耐湿性の品種間差をサーベイできます。
ブロッコリーや加工用トマトで有効な手法でした。
また、幼植物体を短期間、水耕溶液中に窒素をローディングして酸素分圧が低い状態とした水耕栽培システムで育成し、溶存酸素量が豊富な対照区と比べて根系のデザイン（長さ・太さ・分岐数など）やバイオマス量がどのように変化しているのかを調査します。これにより、根域低酸素耐性を有する品種を簡易にサーベイする試みです。ダイズの場合、従来言われている「耐湿性」とこの「根域低酸素耐性」には密接な関係性が示唆されます。実山 豊 講師 Jitsuyama Yutaka -
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ナノ微粒子を用いる炭素資源由来の窒素の無害化除去
Fuel窒素の事前除去と高温ガス精製へのナノ微粒子の利用
地球環境に調和した炭素資源の高度利用法の原理確立は、次世代に向けて最重要な研究テーマの一つである。本研究では、ナノスケールの金属・金属酸化物微粒子を用い、炭素資源をクリーンエネルギーに効率よく変換できる触媒プロセスの開発を目指している。
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図 500˚Cでのピリジン分解に
対する褐鉄鉱の触媒性能
研究の内容
炭素資源中の窒素（Fuel-N）は燃焼時にNOxやN2Oとして排出され、また、高温ガス化では主にNH3に変化し後段のガス燃焼時のNOxソースとなる。本研究では、燃焼やガス化の前段の熱分解過程においてFuel-Nを無害なN2に変換する方法の開発に取り組み、イオン交換法で担持したCaイオンは熱分解時にCaOナノ粒子に変化し、N2生成に触媒作用を示すことを見出した。
また、褐炭中に元々含まれるFeイオンや褐鉄鉱中に多く存在するFeOOHは加熱過程で容易に金属鉄ナノ粒子となり、この触媒上でNH3、ピリジン、ピロールの分解反応を行うと、N2が選択的に生成することを見出した。このような含N種は石炭ガス化で生成する粗ガス中に含まれるので、これらの化合物の除去を目的とした新しい高温ガス精製法の開発への展開を図っている。坪内 直人 准教授 Naoto Tsubouchi博士（工学） -
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北海道雑草種のDNAバーコーディングと群集評価技術への応用
・次世代シークエンサーにより集草サンプルから雑草群集を簡易的に評価
・雑草分布状況の大規模調査に最適雑草管理を効率的に行うためには、その発生や分布パターンを把握する必要がある。本チームでは、北海道の主要雑草種についてDNAデータベースを構築し、次世代シークエンサーを用いた新しい雑草群集の評価法の確立を目指しています。
研究の内容
札幌・帯広から収集した主要雑草種（約50種）から全DNAを抽出し、葉緑体DNAにある可変性領域の塩基配列データベースを構築し、北海道の主要雑草種の識別に有効なPCRプライマーセットを設計した。圃場より収集した雑草の混合サンプルから抽出したDNAを識別プライマーによりPCRで増幅した後、MiSeq（イルミナ社）により塩基配列を読み取り、データベースと照合することにより、サンプル内の雑草種を同定する手法を確立した。また、各DNA断片のカウントデータから、集草内の各種雑草のバイオマス比の推定も可能である。
平田 聡之 助教 Hirata Toshiyuki -
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無機-バイオ界面に着目した新規材料作製
シリカ合成酵素、バイオミネラル、無機-有機複合材料、自己修復材料
我々は生物が創り出す鉱物（バイオミネラル）に着目し、それを人工的に模倣した無機材料作製技術を開発しています。また、無機物とバイオ分子の界面に形成される親和力を利用した新たな金属分離技術および吸着・接着技術についても取り組んでいます。
研究の内容
１．シリカ合成酵素を用いた新規ハイブリッド材料作製
シリカは酵素によって合成されており、シリカ合成酵素はシリカテインと呼ばれています。シリカテインを用いることで、常温・中性pHという温和な条件下でシリカの重合を行うことが可能なため、バイオハイブリッド材料の作製ツールとして利用できると思われます。我々は、タンパク質融合技術により、シリカテインを可溶化した状態で長期間安定に存在させることに成功し、様々な複合材料の作製のツールとして用いています。
２．バイオ界面に着目した新たな金属分離技術と固体吸着技術の開発
生物は様々な力（相互作用）を用いて、固体表面に接着しています。我々はその力をうまく利用することで、紙（セルロース）を用いた金属イオン捕集技術や、特定の金属だけに吸着・接着する技術の開発を行っています。中島 一紀 教授 Nakashima Kazunori -
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稲わら等農業未利用残渣のエネルギーサプライチェーン
稲わらなどの農業未利用残渣を利用形態に応じた燃料に変換し供給するシステム構築
燃料利用するのが困難であった稲わらなどの農業残渣を、保管・運搬・エネルギー利用に適した形態へ変換する“半炭化技術”の開発を行いました。燃焼時のクリンカ軽減およびPMの排出抑制に寄与します。
研究の内容
・稲わらペレット製造技術（木質と稲わら混合ペレット含む）
・半炭化（トレファクション）による燃料品質の向上と利用用途拡大（発熱量UP、微粉化可能、火力発電所及び木質バイオマス発電所での混焼）
・サプライチェーン設計とコスト最適化石井 一英 教授 Kazuei Ishii博士（工学） -
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有機性排水浄化のためのハイブリッド伏流式人工湿地
畜産排水などの有機性排水を、低コストで効率よく持続的に浄化するシステムです。
高濃度汚水を対象に、寒冷地での実用化を実現しました。世界でもトップクラスの能力です。研究の内容
伏流式人工湿地はヨシ等を植えた砂利や砂の層で汚水をろ過して浄化する方法です。
伏流式には汚水を表面から散布して上から下へ流す好気的な鉛直流式と、浅い地下水としてゆっくり水平方向に流す嫌気的な水平流式があり、それらを組合せたハイブリッド式は特に窒素浄化能力に優れています。
ヨシなどの植生は、表面の目詰まりを軽減し、人工湿地内の生態系を支えて浄化能力を高めています。井上 京 名誉教授 Inoue Takashi -
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気候変動下における北極海洋システムの回復力と適応力
環北極海全域の海洋生態系の統合的理解
日本、米国、ノルウェーで進行中の環北極海域（北極海および隣接する周辺の亜寒帯海域）の既存研究課題の個別研究成果を発表する国際ワークショップを開催し、共通点や差異を整理しながら各海域における成果の統合的な理解を目指している。
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植物プランクトンの大型サイズの占有率分布。赤いところほど珪藻などの大型の植物プランクトンが占める。(a)2006年8月 (b)2007年8月
研究の内容
本研究では、環北極海域（北極海および隣接する周辺の亜寒帯海域）における共通点や差異を整理しながら太平洋−北極海−大西洋における環境変化と海洋生態系の応答について統合的に理解することを目的とする。国際共同研究プログラムIMBeR（海洋生物圏統合研究）の地域研究プログラムESSAS (Ecosystem Studies of Sub-Arctic and Arctic Seas：亜寒帯域および極海における海洋生態系研究)を母体にそこに参画している日本、米国、ノルウェーの科学運営委員を中心に研究を推進する。具体的には、2015年から2018年の間に、各国で進行している既存の研究成果を発表する国際ワークショップを３回開催し、環北極海全域の海洋生態系の統合的理解を図る。
平田 貴文 特任准教授 Takafumi HirataPh.D. -
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植物の繊維構造・特異な形態が生み出す構造・材料力学的機能評価とプラントミメティック構造材の創製
「植物の智恵」から学ぶ新しいデザインとものづくり
竹を始めとする維管束植物や、様々な植物の構造形態の力学的合理性をサイエンスの視点で実証するとともに、その構造形態を模倣することにより、既存の材料性能を凌駕する新しい構造材のデザインを目指しています。
研究の内容
◆構造・材料力学理論と有限要素解析により、理論的なアプローチで植物の形態を捉えます。
◆例えば、以下の写真に示す竹は節と断面内維管束分布が特徴的ですが、これらには自身の体を最小材料で効率的に支える秘密があることが本研究室の研究で明らかとされています。このことは、繊維量を減らし機能を高めるCFRP材料の設計に応用できる「竹が教えてくれる智恵」であるといえます。※本研究により、文部科学省より「科学技術への顕著な貢献2019（ナイスステップな研究者）」に選定されています。
◆さらに、断面形状が非円形の植物など、特徴的な形状には力学的な利点が潜んでいます。
このような進化の過程で植物が生存戦略の一環として獲得してきた形状の合理性を暴き、付加価値を有するものづくりに生かすデザイン研究を行っています。佐藤 太裕 教授 Satou Motohiro -
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セメント硬化体の物質移動予測モデル
Prediction of transport properties of cement-based materials
コンクリートは、広くインフラとして使用されており長寿命化はサステイナブル社会構築のため必須である。それを実現するためには適切な性能予測技術が不可欠である。そこで本研究ではコンクリートを構成している硬化セメントペーストの物質移動予測を行った。
研究の内容
コンクリートなどの多孔体の物質移動性能は含まれる空隙量に依存しているが、空隙量のみだけでなく各相の空間配置も影響を及ぼしている。そこでコンクリートの物質移動性能を予測するために、その構成材料である硬化セメントペースト（HCP）の物質移動性能の予測を行った。HCPの断面を反射電子像で観察した結果を図１に示す。各相が分散している様子がわかる。これより各相を抽出し自己相関関数を計算を行い、これに基づき各相を3次元空間に配置を行い、図２に示す3次元イメージモデルを構築した。このモデルにより拡散係数を有限差分法によって算出した結果と実測値の比較を図3に示す。推定値と実測値は異なる試料においてもよく一致していることから、本モデルによる拡散係数推定手法によりセメント硬化体の拡散係数は予測可能であることが示された。
胡桃澤 清文 准教授 Kiyofumi Kurumisawa博士（工学） -
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免震構造の極限挙動解析
巨大地震への備えとして
当研究室では免震構造の高度な解析技術を開発しており、巨大地震に対する免震建物の極限挙動の予測、および巨大地震に備える各種対策を提案することができます。
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◆免震建物の極限挙動◆
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◆免震建物の地震応答解析◆
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◆免震積層ゴムの熱伝導解析◆
研究の内容
免震建物では、地震時に免震装置が柔らかく変形することにより上部建物に発生する応答加速度を大きく低減し、耐震安全性を向上させることができます。一方で、南海トラフ巨大地震などによる設計想定を超えた地震動に対しては、建物の擁壁への衝突や免震装置の座屈・破断などの極限事象が生じる恐れがあります。免震建物の極限挙動を精緻に予測する解析技術を用いることにより、極限事象の発生を予見したり、その発生を抑えるための対策を検討したりすることが可能となります。
菊地 優 特任教授 Masaru Kikuchi博士（工学） -
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リン酸カルシウムを用いた新しい地盤注入材
自然界の生物の歯や骨の主な成分であるリン酸カルシウム化合物で地盤を固める画期的な低環境負荷型注入材
地盤注入材（グラウト）の新たなセメント物質としてリン酸カルシウム化合物（以下CPC）に着目し、CPCの析出とCPCによる砂の固化に関する最適条件を検討した結果、ケミカルグラウトとバイオグラウトという2種類の新しい利用可能性が明らかになった。
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図－1 ウィスカー状CPC結晶の電子顕微鏡画像
研究の内容
環境負荷が小さい新たなグラウトを開発するために、自然界の生物によって生成される鉱物（バイオミネラル）の中でも歯や骨の主な成分であるCPCに着目し、CPCが析出する最適条件の検討およびCPCで固化させた砂供試体の一軸圧縮試験を実施した。その結果、CPC析出試験ではpHが弱酸性から中性付近に上昇することに伴い、析出体積の増加傾向が認められた。また、CPCで固化させた砂供試体の一軸圧縮強さは約90 kPaまで達し、砂質地盤が液状化しない一軸圧縮強さの目安である50～100 kPaを満足した。供試体片の電子顕微鏡観察からは、ウィスカー状のCPC結晶が確認された（図－1）。以上より、自己硬化性を利用したケミカルグラウトと析出体積のpH依存性を利用したバイオグラウトという、2つの新しいグラウトとしての利用可能性が示された。
川﨑 了 教授 Satoru Kawasaki博士（工学） -
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１枚の顕微鏡画像でも、全てを語れる
日本全国の研究者へ、最新の生物顕微鏡を提供する施設
日本全国の研究者が最新の生物顕微鏡を利用できる施設としてニコンイメージングセンターは設立され、現在は電子科学研究所の運営で活動しております。顕微鏡に触れたことのないような初心者の方にも、専任スタッフが機器やソフトウエアの操作方法を説明します
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超解像顕微鏡
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培養細胞の超解像画像
研究の内容
近年になってバイオイメージングの需要はますます増大しており、遺伝子導入技術や蛍光タンパク質による分子・細胞マーキング技術、そして顕微鏡などの観察機器の性能も、飛躍的に向上しております。しかし高性能の顕微鏡システムは非常に高額で、特にスタートアップ時にすべてを揃えるのは困難なうえ、誰でも簡単に優れたデータを取得できる訳ではないところに、イメージングの難しさがございます。
当センターは学外の研究者にも広く機器を開放し、機器やソフトウエアの操作指導のみならず、イメージングのノウハウも提供します。また本年より「先端バイオイメージング支援プラットフォーム」にも参画し、国内の他の顕微鏡施設とも連携して、最先端の顕微鏡の利用の支援にも携わっております。イメージングを検討中の企業の方々におきましては、まずはぜひご検討ください。三上 秀治 教授 Hideharu Mikami博士（理学） -
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オープンファシリティ
設備は「所有」から「共用」の時代へ
北海道大学が所有する高度な研究設備を学内外の研究者に開放し、共用化することにより本学及び地域の研究水準の向上に繋げることを目指す設備共同利用システムです。
研究の内容
約200台の研究設備が登録されているオープンファシリティは、利用設備の講習を受講すれば、利用者は利用料金だけで最先端設備を利用できます。また、操作方法や技術相談などにも、高度な技術力と豊富な知識を持ったスタッフが親身になってアドバイス致します。
装置利用の予約はWebページ「装置予約管理システム」で24時間受け付けます。
まずはホームページのメール送信フォームから利用希望装置についてお問い合わせ下さい。グローバルファシリティセンター Global Facility Center -
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先端研究基盤共用促進事業（先端研究設備プラットフォームプログラム）
顕微イメージングソリューション プラットフォーム
共用機器管理センターに設置している”同位体顕微鏡システム”を産学官共用に推進拡大する
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【利用例】核酸物質の細胞内局在を観察するにあたり、従来の蛍光物質で標識する方法では観察対象の化学的性質が変化してしまう可能性があります。
本利用課題では、核酸物質を安定同位体18Oで標識し、それを同位体顕微鏡で観察することで、本来の局在を観察することに成功しました。（Hamasaki et al, 2013, Nucleic Acids Research, 41 (12), e126, doi: 10.1093/nar/gkt344）
研究の内容
”同位体顕微鏡システム”の特質である「安定同位元素イメージング技術」を有効活用する利用課題を募集、選定、実施することにより産業イノベーションへの展開を図ります。
同位元素というと、すぐに年代測定が思い浮かびます。事実、これまで同位体顕微鏡システムは主に鉱物など宇宙科学の分野で、同位体比の分析に使われてきました。これは、入手した試料の断面の「ありのまま」を観察して得られる成果です。その測定手法の発想を変えることで、同位体顕微鏡システムを産業応用に展開できます。すなわち、「ありのまま」を観るのではなく、積極的に同位体元素を調べたい試料に「ドープ」することで、今まで見ることができなかった目的のイメージングを測定することが可能になります。しかも、放射性同位体ではなく、安定性同位体を使って安全に作業することができます。圦本 尚義 教授 Hisayoshi Yurimoto理学博士 -
