PowerPoint プレゼンテーション

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UNIVERSITY 京都大学

生物生産機械学

農学研究科 地域環境科学専攻

生物センシング工学分野

近藤 直

キーワード：食料，エネルギ，環境，農業機械，ロボット，農業施設，生物センシング

ガイダンス

１回生：共通教育，専門科目（地域環境工学概論等） ２回生：共通教育，専門科目（材料力学，熱力学等） ３回生：１１月頃分野分属調査 １月に分野分属決定 ４回生：課題研究，８月に大学院入試（英語，専門科目(1):地域 環境科学の問題，専門科目(2)：系および分野の問題（食エ ネ系共通：材料力学，制御工学：微積，ラプラス変換），熱力 学＋分野問題） その後，就職あるいは大学院 大学院修士課程修了後就職あるいは博士課程

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UNIVERSITY 京都大学 修士課程１回生 ２回生 博士課程１回生 ２回生 ３回生 修士論文，専門科目 修士論文 博士論文，研究員（日本学術振興会） 博士論文，研究員（日本学術振興会） 博士論文，研究員（日本学術振興会）

リーディング大学院

海外の大学とのデュアルディグリー

農学研究科と関わりのある国々(留学推奨国)

30

31

0

0

1

0

6

5

10

5

1

0

1

0

学術交流協定

学生交流協定

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京都大学 農学部

資源生物科学科

応用生命科学科

地域環境工学科

食料・環境経済学科

森林科学科

食品生物科学科

（６学科） 京都大学大学院 農学研究科

施設機能工学分野

水資源利用工学分野

水環境工学分野

農村計画学分野

農業システム工学分野

フィールドロボティクス分野

農産加工学分野

（７専攻）

（７研究分野）

１研究分野には２名から４名の先生が所属し， ４年次に課題研究を行い，卒業論文を書く。

数学 国語 理科（物理，生物，化学，地学） 社会（歴史，地理，現代社会，倫理，政治経済） 英語 受験のための科目 大学で必要な科目 社会に出てから必要な科目

プレゼン能力（デザイン力）

コミュニケーション能力

問題解決能力

人間力（リーダーシップ，人間関係形成）

基礎学力・専門学力

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Laboratory Seminar(Every Tuesday) Three Group Meetings(Every Week)

奨学金 大学院修士課程：ヤンマーの山岡育英会から２年間 大学院博士課程：JSPSのDC1あるいはDC2，さらにはPD リーディング大学院 そのほか，海外渡航のための財政的補助 目標をそれぞれ持つ ・問題解決能力_{→課題設定能力} ・プレゼン能力ーーーデザイン能力（ポンチ絵） ・コミュニケーション能力（英語） ＴＯＥＦＬ-iBT 京大の平均点７７ 海外の留学生は８０点～９０点以上の人が多い（100点以上も） 英語能力はSpeaking, Listening, Reading, Writing

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Forest & Biomaterials Science 農学部組織図 Primary production Secondary production （processing） Consumption

Applied Life Bioscience

Food Bioscience A pp lied B io sci en ce E nv iron me nta l S ci ence s & T ec hn olo gy A gr onomy an d H or ticu ltur al S ci ence Life System Food Production Food Function

Researches in Agricultural Sciences contribute to

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Bio-instrumentation

Spectroscopy

Machine vision

分子 細胞 器官・組織 個体・農産物 施設 音や光、画像技術などを使って複雑系（生物）から、さまざまな情報をセンシング・ 解析し、人々の暮らし（食料生産、医療、創薬等）に役立てる研究を行っています。

生物センシング工学分野

農畜水産物 の生体計測 施設内の自動化 細胞研究 バイオセンサ 予防医療 食と農の情報化 ポストハーベスト技術 非破壊検査 機能性物質、アレルゲン検査 教授：近藤 直 准教授：小川雄一 助教：鈴木哲仁 E-mail: [email protected]

生物センシング工学のスタッフ

教授: 近藤 直

准教授: 小川雄一

助教: 鈴木哲仁

非常勤講師: 西津貴久 (Gifu University)

Garry Piller (Australia, G30 program)

研究員: 藤浦建史 椎木友朗 JSPS 研究員: 内藤啓貴 (博士課程学生) 白神慧一郎 秘書: 西垣真樹子 中村好美 学生： 39名

Wang Hongjun (China)

生物センシング工学研究室の学生

Su Qinghua (China)

Islam Md Hamidul (Bangla) Mahirah Jahari (Malaysia) Shan Jiajia (China)

Wang Ying (China)

Anisur Rahman (Bangladesh)

Hirotaka Naito Keiichiro Shiraga

Muharfiza (Indonesia)

Kiji Atsuyoshi

Liao Qiuhong (China)

博士課程 修士課程 学部生（4回生）

Ippei Kurita

Shusaku Nakashima Kenta Hattori

Tatsuya Morisako

Habaragamuwa Harshana (Sri-Lanka) Xu Li (China)

Danial Fatchurrahaman (Indonesia) Gambuh Asmara Kinkin(Indonesia)

Akamune Gyozo Adachi Aya

Kiuchi Soma Shirataki Yuri Horai Kohei

Peng Yingqi (China)

Annisa Nurulhuda (Indonesia) Amry Fitra (Indonesia)

Gao Tianqi (China)

Stephen Njehia Njane (Kenya) Khaliduzzaman (Bangladesh) Tumpa Rani Sarker (Bangladesh)

Daiki Nagata Masanori Ono Yoshito Saito Kayano Tada Ayaka Hori Tadahisa Masumoto Takumi Watanabe

Qiu Qicang (China)

留学生: 20人

日本人学生: 19人

Fish

Beef Cattle

Prof. Fujiura, Shiigi, Prof.Nishizu

BiG

(Bio-instrumentation/Automation Group)

Hyogo Pref.

YP-Tech Kyoto Prefecture _Panasonic Fukushin-denki Nagasaki Pref Nabel

Egg&Chick

Hamidul Su Nakajima Anisur Rahman Morisako

Plant/Robotics

Mahirah Harshana Shirataki Kiuchi Shibuya Yanmar Ehime Univ. Takumi Systemwatt NARO Danial Watanabe Masumoto Ono Kiji Peng Yingqi Amry Qiu Qicang Stephen Njehia Njane

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Life Science

Application of

Spectroscopy

Naito Xu Li

SPEC Group

Shiraga Shibuya RIKEN RIKEN Murata Ohmi _{Shan Jiajia}

Wang Ying Hattori Kurita Akamune Adachi Hohrai Kinkin Tada Hori Saito Muharfiza Naris Ishida Liao Qiuhong Marco Canevarolo Khaliduzzaman Tumpa Annisa Gao Tianqi

研究グループ 研究グループ 研究グループ 研究グループ 勉強会 １週間の報告 問題解決方法の提案 情報の共有 自学自習の方法 研究の進め方がわからない 実験装置のことで相談したい 実験の協力が必要 異なるものの考え方 多面的な見方 新しいアイデア 異なる技術 問題解決能力・課題設定能力の育成 グループミーティング

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UNIVERSITY 京都大学 研究グループ 研究グループ 研究グループ 生物センシング工学研究室 研究グループ ・当研究分野における世界の最新の研究成果に基づき，最先端の研究成 果を報告する。 ・異なる研究分野の成果，情報も積極的に入手し，当研究分野の将来的な 方向性を打ち出す。 ・研究グループ内および他の研究グループとのコミュニケーションを円滑に することにより，論文報告，学会発表の質・量ともに向上させる。 ・当研究分野において，世界のトップランナーとなる研究者を輩出する。 生物センシング工学研究室としての研究目標 海外・学内外の研究者

Economical and technological growth in

Asia

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24: Taiwan, 29: Iran, 30：Thailand, 33：UAE, 37：Malaysia, 39: HongKong 40: Singapore, 47: Philippines, 48: Pakistan, 53: Kazakhstan, 55: Quasar, 56: Qatar, 58 Bangladesh, 59: Vietnam

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Austraria

2,970

USA

170

79

5

2

France

5

6 Germany

UK

Japan 1.7

China

1.1

Korea 1.0

Indonesia 1.0

Thailand 0.9

Malaysia 4.0

Bangladesh 0.3

各農家の農地面積 (ha)

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Intensive and sustainable agriculture should be conducted To produce higher quality products

Solving both local and global environmental problems

With our own case studies and cutting-edge technologies

556 215 ₁₈₀ 47 41 27 18 12 11 9.6 9 7.8 5 4.5 2.3 2 1.8 240 0 100 200 300 400 500 600 Unit: million ha

アジアの耕地面積

京都大学 」 ロシア 不耕作地の増大 農地土壌の劣化

対象国の抱える課題

中国 生産環境の汚染 メコンデルタ地域 生産環境の不安定性 化学肥料・薬品 インド 低生産性 人口増大 アフリカ 農地土壌の劣化 低生産性

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課題への対応方向

卓越した日本の食料生産 技術を各国への導入 環境保全に関わる マクロな問題解決 各国，地域特有の技術開発 日本の先進的農業技術 集約的 環境 負荷小 高生産性 _高品質

地球規模の「生命・食料・環境」

問題の解決

Japanese high technologies for food production

+

Asian countries’ local production potentials

and local technologies

(Younger generation power

Larger capacity lands)

１ ３ ４ ５ ７ ６ ２ Barcode reader

Current Situation of Japanese Younger Generation

8.3

5.8

Number of students who study abroad

in the world

Number of students who study abroad in each country

China USA India Korea Japan UK

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Scores of TOEFL-iBT

R W L S Sum(Full120)

Japan 16 18 16

15 65

All examinee

19 20 19 20 78

Prinston 29 27 28 24 108

Speaking score “15” is the worst in the world (147th _place)

Summated rating “65” is the worst in the Asia (28th _place)

1: Singapole (100), 2: India (91), 3: Malaysia (89),

4: Philipine (85), 5: Pakistan (83), 5: Srilanka (83)……… 15: China (76), … 20: Korea (73), …27: Mongol (66), 28: Japan (65)

Globalization of Japanese University

Global 30 program

(all English courses) :Tohoku,

Tsukuba, Tokyo, Nagoya, Kyoto, Osaka, Kyushu,

Waseda, Keio, Jochi, Meiji, Doshisha, Ritsumei Univ.

・All classes in graduate schools are conducted in

English (Even laboratory seminar and small group meeting)

・Increase number of schools which received an international baccalaureate degree

・Japanese company men give students English lectures

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1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Employment rate

Growth rate of real GDP

G row th rate of real G DP (%) Empl oy men t rate (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 High-growth period Energy crisis

(oil shock) Bubble _{Economy burst}

35

Lehman shock

Now, the generation, who builts the high-growth

economy in Japan, have retired.

I wish you younger generation to succeed the

splendid technologies, develop,

share, and

compete with Asian youth

.

Plus more communicate and

cooperate beyond

generations

for learning what they have done.

Research Activities of Agricultural Machinery

フィールドロボティクス 農業システム工学

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本講義の内容

• 6章：精密畜産，精密水産

• ７章：ロボット化，特に人間腕型

ロボット

• ９章：農業施設とトレーサビリティ

• 10章：生物センシング

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精密畜産

精密肥育

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高品質牛肉の生産（精密畜産）

BMS 3 BMS 7 BMS 11 0 20 40 60 80 100 120 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 月　　齢 血中ビ タ ミン A 濃度( IU /dl) 欠 乏 症 血液検査 血液検査 (Kobe beef: 9-12)

肥育牛の瞳孔検査

RFID gate Machine Vision Machine Vision

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Pupil color is influenced by tapetum color

© Exploratorium | The museum of science, art and human perception

◆Vitamin A effects on retina.

High vitamin A level cattle Low vitamin A level cattle The Hokkaido Animal Research Center

Vitamin A level becoming lower ・・・

Blue part of eyeground becomes reddish or yellowish.

(Hyogo Prefectural Hokubu Agricultural Inst.,2009)

輝板の色と瞳孔の色

Papilledema

視神経乳頭浮腫 Bleached tapetum

Goblet Cell Number Diagnosis

on Eye Surface (捺印細胞診)

Healthy condition Vit. A Deficiency

Vit. A Deficiency makes Goblet cell number and mucin smaller. (Mucin provides

stable tears)

Dry eyes

Scattered light

Eye surface becomes dry by Vit.A deficiency

(J. Tielsch et al., Annual Review of Nutrition, 4, pp183-205, 1984)

(Natadisastra et al., The American Journal of Clinical Nutrition, 48, pp695-701, 1988) (A. Lange et al., Case Reports in Ophthalmology, 2, pp302-306, 2011)

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UNIVERSITY 京都大学 Quality _Yield Input Output Food quantity Timing of feeding Feeding period Type of food Air temp. Air velocity

Light intensity and color Day length

Relation with other cattle Aroma (intensity, Type) Sound (intensity, frequency)

Health factors Environmental &

stimulating factors Feeding factors

Background noise

Database for precision cattle fattening

Database

Humidity

Weight

Body temp.

Heart rate

Feces & Urine Voice

精密肥育のねらい

１．生産者に対して

・正確な計測に基づく適正な制御による高収益生産 （成育環境に適合した技術の確立と 高品質，高収量生産） ・蓄積されたデータに基づく健康管理

２．消費者・流通業者に対して

・安心・安全な生産物ならびに生産物情報の提供 （トレーサビリティデータベース）

３．環境・動物に対して

・最適給餌による環境負荷の軽減 ・ストレスの軽減

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入出力因子の関係を求める解析方法

• 多変量解析 • ニューラルネットワーク Y = a₀ + a₁ X₁ + a₂ X₂ + a₃ X₃ + ･･･ + a_n X_n 説明変量：各入力因子 重み係数 目的変量：出力因子 （品質，収量） 品質 収量 出力層 中間層 入力層 健康因子 環境・刺激因子 給餌因子

PC 高品質，高収量のための最適制御 情報蓄積用 データベース 地域のブランド トレーサビリティ 病気，品質，収量 の事前予測 生産者 消費者 環境計測センサ カメラ

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精密肥育牧場の構成要素例

精密肥育システム 個体識別装置 血中ビタミンA計測装置 可変自動給餌装置 成育環境計測装置 データ蓄積用データベース ICタグ，画像 マシンビジョン システム 健康状態監視・計測装置 体温計，体重計 鳴き声解析装置 気温，湿度 風速，照度・・・ 給餌量，種類 給餌時間 タイミング トレーサビリティ 生産情報解析 計測装置群と 情報ネットワーク

精密畜産のための入出力因子 品質 収量 肉牛の 入力因子 出力因子 餌の量 給餌のタイミング 給餌時間 餌の種類 気温 風速 光強度（波長，強度） 日照時間 他の牛との関係 芳香（強度，種類） 音（周波数，強度） 健康因子 環境・刺激因子 給餌因子 暗騒音 精密肥育におけるデータベース

データベース

湿度 _体温 血液 体重 心拍数 分泌物 糞尿 鳴き声

枝肉 精密肥育 消費者 生産物評価 血統情報 出生年月日 最適給餌 ブランド ブランド 価格，販売量 血中ビタミンA 健康情報 病気の検査 消費者の声 輸送 情報管理システム 子牛生産（繁殖農家） データベース RFID 健康情報 生育環境情報 給餌情報 RFID ガイダンス 小売店 生産物および情報の流れ

産卵 Day 0 ～ 6 Incubating ふ卵期間: 21 days 正確な温度コントロール ほぼ同時に ふ化

精密ふ化

37.8℃

Day 0 5 10 15 20 21

各卵の計測

1) 殻内診断のための透過計測 By 分光 2) 卵の温度計測 By サーモカメラ 3) 心拍数の計測 By フォトインタラプタ 透過光計測 温度計測 心拍数計測 フォトインタラプタ

心拍数の計測

24℃（生理的0℃）で心拍数は停止する。

37.8℃

24℃

精密水産

ヘルムホルツ共鳴による体積計測

Area of neck

Object volume is measured from

resonant frequency: f

0 V l S

1. 不定形の対象物でも計測容易

2. 非破壊，迅速，正確

Advantages

𝑽

_𝐨

= 𝟏 −

𝒇

𝟎

𝒇

𝟐

𝑽

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UNIVERSITY 京都大学 Pump Flow meter Resonator Computer Microphone

Flow rate: 12 [l/min]

18 fishes, 3 times measurement

16.0 [ml] 4.0 [ml]

～

Large

Small

将来の構想

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どちらを取りますか？

Shellfish Grading including internal meat volume evaluation

＜

Shell: 51 g Meat: 10 g Shell: 132 g

Meat: 20 g

精密養魚システムのねらい

１．生産者に対して

・正確な計測に基づく適正な制御による高収益生産 （魚の特性，成育環境に適合した技術の確立と 高品質，高収量生産） ・蓄積されたデータに基づく養魚指導

２．消費者・流通業者に対して

・安心・安全で新鮮な生産物ならびに生産物情報の提供 （トレーサビリティデータベース）

３．環境に対して

・最適給餌による環境負荷の軽減

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精密養魚において重要な技術開発

• 生魚個体の質量（体積）の非接触計測

（ヘルムホルツ共鳴装置）

• 生魚個体の寸法（体長）・色の非接触計測

（PLフィルタリング画像）

• 生魚の

個体識別

（PLフィルタリング画像，ICタグ??）

• 生魚への

可変給餌

（データベース）

給餌装置 生魚の計測装置 PC 海水温度 溶存酸素 流速等 （環境要因） 環境計測センサ による計測 給餌量，タイミング （給餌要因）

精密養魚システム

海産物情報センター （漁協，管理法人） 高品質，高収量のための最適制御 光，色 芳香等 （刺激要因） データベース 可変給餌 個体識別 地域のブランド トレーサビリティ 病気の事前予測 養魚指導 組合員 カメラ

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精密養魚システムの構成要素例

精密養魚システム 生魚個体識別装置 生魚の体積計測装置 可変自動給餌装置 成育環境計測装置 データ蓄積用データベース 画像，ICタグ 病気予知，魚色 魚形 ヘルムホルツ共鳴 成長曲線 生魚監視・計測装置 画像，魚体数 行動監視 異常早期発見 水温，溶存酸素 流速，照度・・・ 給餌量，種類 給餌時間 タイミング トレーサビリティ 生産情報 流通情報，消費情報 計測装置群と 情報ネットワーク

精密養魚システム構築のための入出力因子 品質 収量 生産される魚の 入力因子 出力因子 餌の量 給餌のタイミング 給餌時間 餌の種類 水温 水質(濃度，pH) 潮流速度 酸素濃度 太陽光強度（可視，紫外） 太陽光の色温度 日照時間 水深 魚密度 芳香（強度，種類） 音（周波数，強度） 人工光（波長，強度） 振動（周波数，強度） 物体色，液体色 刺激因子 環境因子 給餌因子 暗騒音 精密養魚システムにおけるデータベース

データベース

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入出力因子の関係を求める解析方法

• 多変量解析 • ニューラルネットワーク Y = a₀ + a₁ X₁ + a₂ X₂ + a₃ X₃ + ･･･ + a_n X_n 説明変量：各入力因子 重み係数 目的変量：出力因子 （品質，収量） 品質 収量 出力層 中間層 入力層 健康因子 環境・刺激因子 給餌因子

水揚げ・品質評価 精密養魚 消費者 市場 生産物情報 ふ化・稚魚情報 養魚指導 ブランド ブランド バイオマス 販売量、価格 給餌・成育情報 環境情報 作業履歴 病気分析 消費者の声 IC タグ 輸送 DSS，GIS 広域環境計測 海産物情報センター （漁協，管理法人等） 稚魚生産 小売店 データベース ネットワーク

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