東京大学産学連携プロポーザル

日本では、水産物需要の減少、漁業者の高齢化などによって、生産規模が縮小しつつある。一方で、世界では、水産物需要は急増しており、特に養殖生産量は急速に伸びている。 この研究室では、省人化、省コスト化によって、効率的な海洋食料生産システムの開発を行ってきた。高波浪対策、水温調節、赤潮対策等に使用できる浮沈式生簀や可変深度型生簀、定置網漁業の自動揚網システムなどの水槽実験技術や運動解析技術を開発してきた。併せて、自動給餌システムや無線映像伝送装置による管理システムなどを開発してきた。これらのシステムをマグロ、ギンザケ、ブリなどの養殖海域に適用し、その効果を実証してきた。

地球環境保全や環境修復に対する関心は大きくなっている。沿岸や湖水域における環境変化は生活に密着しているので、影響が大きい。 この研究室では、富栄養化や温暖化に伴って湖沼や沿岸域の水質や底質が悪化する現象の解明に取り組んできた。東京湾、カスピ海、琵琶湖、霞ヶ浦、池田湖、諏訪湖の物質循環に関する流れ場－生態系結合数値モデルを構築し、シミュレーションにより溶存酸素濃度の低下などの様々な現象を解析している。

深層学習などの人工知能は、画像認識や音声認識、自然言語処理、確率過程に関する予測などを含む多様なタスクで高い精度を出すことがわかってきたため、注目を集めている。しかし一方で、入力データに微小な改変を加えることによって出力を大きく誤らせることが可能な敵対的入力の存在が報告され、さらに発展的な攻撃や、虚偽情報の悪影響も知られている。例えば、自動運転が騙されれば、甚大な事故につながりかねない。投資支援システムが微妙に騙され続ければ、その不正に誰も気づかないかもしれない。これらに関する脅威分析を十分に行い、対策を講じることは、人工知能を利用したシステムを提供する側の社会的責任である。松浦研は、人工知能に関する事前情報が不十分な状況での高度なブラックボックス攻撃技術、攻撃の検知技術、あるいは攻撃耐性を強化する技術に関する先駆的な研究成果を挙げている。

ブロックチェーンは、追記更新と随時検証が可能な形で、取引記録や処理記録などを分散共有管理する自律分散システムである。2009年に登場した仮想通貨ビットコインで使われて以来、フィンテックだけでなく、小口電力売買管理、食料サプライチェーン管理、医療情報システム管理などの応用に期待が集まり、活用事例も増えている。松浦研は、ビットコインの登場以前から、ブロックチェーンを支える主要技術や経済工学的理論の多くに関する先駆的な研究成果を挙げている（仮想通貨の採掘に使う作業証明技術は1998年、デジタルタイムスタンプ技術は1999年、仮想通貨のトークンモデルとその金融派生商品は2001年、記録の証拠性を支える電子公表技術は2003年）。また、本格的な科学的評価を経ずに実用化が過熱している問題を克服するため、国際的な研究ネットワークの初期ノードの一つを2016年から運用し、産学連携活動であるBASEアライアンスを2017年に立ち上げるなど、ブロックチェーンを基盤技術として育てる環境を整えている。

生体、インク、建材、土、コンクリート等の高分子水溶液やゲル、無機多孔質材料のうちには水が含まれおり、様々な状態で材料を構成する分子と干渉することで、材料の性質やその経年変化に影響を与えている。この様な材料と干渉する水を総称して結合水と呼び、その分量と分子運動の程度を知ることは、水を媒介した種々の化学反応、相変化の速度や力学的性質を知る上で重要である。非常に広い帯域の水分子の回転運動の速度とその量を測定する方法として、とりわけ誘電分光は、水がもつ大きな双極子モーメントの緩和時間として直接測定できる点で他の分光法にない特徴をもつ。 この研究室では、 1)極微量の材料を広帯域誘電分光することにより、材料中に含まれる種々の緩和時間をもつ水分子の緩和時間分布を測定 2)材料表面（例えば皮膚など）から1mm程度の深さまでの自由水の水分分布を測定する技術を有している。

生体や食品を必要に応じて利用するためには需要と供給のバランスをとるため、貯蔵することが不可欠であり、そのための高品位な凍結・凍結乾燥技術は実用的に非常に重要なものである。生体や食品は、水分を多く含み、常温で劣化し易い性質を持つことから、その保存には水の凝固(凍結)やガラス化といった相の変化や、分子運動の程度(活性)を測定・制御することが重要である。 　凍結に関しては、冷却速度や生体内の溶質濃度を考慮した細胞内外の凍結現象の解析や、氷結晶の粗大化を抑止したり監視する技術の開発を行ってきた。また、特に医療用生体の乾燥保存を目的として、生体内の水分子の運動の緩和現象を測定する手法を開発し、結合水の定量測定をすることで水分子のダイナミクスが保護効果に及ばす影響を調べている。現在は、養殖用魚卵の保存、医療用検体やプロテインチップの乾燥保存に取り組んでいる（詳細については、下記研究室ＨＰを参照のこと）。

ナノプローブでは、微細構造の幾何学的形状情報ばかりではなく物性的情報を得ることが可能である。この研究室では、ナノプローブを光照射下にて動作させることによって、被測定試料の光学的特性を可視化・計測する研究に取り組んでいる。このような手法を応用して、太陽電池素子等を解析・診断する技術および装置の開発を行いたい。 ケルビンプローブフォース顕微鏡（KFM）は原子間力顕微鏡（AFM）をベースとした顕微鏡の一種であり、試料の表面形状とポテンシャル像を同時に得ることができる。このKFMを光照射下で用いれば、光起電力特性の計測や、その空間分布の観測が可能となる。図1は、光援用KFMで観察したCu(In,Ga)Se2化合物半導体太陽電池における(a)表面形状像と(b)暗状態での表面電位像、(c)光起電力像である。1mm程度の結晶粒やその粒界付近での光起電力分布が可視化されていることが見て取れる。また、光起電力測定の応用によって、太陽電池材料における重要な特性指標である少数キャリアの寿命や拡散長などの局所的計測にも成功している。一方、光照射に伴う被測定試料の熱膨張量をAFMにて観測する光熱分光計測の開発にも取り組んでいる。図2は、多結晶Si太陽電池上で観測した(a)表面形状像と(b)光熱信号像である。特定の結晶粒界近傍で、光熱信号が増大していることがわかる。これは、この粒界付近で、太陽電池での損失に対応する光励起キャリアの非発光再結合が促進されていることを示している。

ナノプローブを用いて微細構造の幾何学的形状情報ばかりではなく物性的情報（電気的、光学的情報等）を得るための研究を進めている。特長は、ナノプローブの持つ高い空間分解能を生かして、形状情報と同時に各種物性的情報を検知できることにあり、非破壊での評価、大気圧中での評価も可能である。これらの研究を応用して、LSI等、微細構造を有する電子デバイスに関する不良解析・診断技術の開発および装置の開発を行いたい。 磁気力顕微鏡（MFM）を用いて電流誘起磁場を観測する研究において、サブmm幅の微細金属電流路に1mA程度以下の電流を流したときの表面形状像、磁気力信号の振幅、位相成分の観測を通じて、磁気力信号強度と電流値との間によい比例関係があること、位相情報を利用して電流の向きを同定できること、などを確認している。また、カーボンナノチューブをチャネルとする電界効果トランジスタに同様の手法を適用している。図(a)、(b)は、それぞれ、ナノチューブチャネル周囲で観測した形状像と磁気力信号像であり、ナノチューブ近傍での磁気力信号の明瞭な変化が捉えられている。また、図(c)は、様々なバイアス条件に対する磁気力信号強度の依存性であり、トランジスタの電流-電圧特性に相当する。このように、個別ナノチューブチャネルにおける閾値電圧や伝達コンダクタンス特性などの解析が可能である。さらに、ネットワーク状のナノチューブチャネルの中から主たる電流経路の同定にも成功している。

この研究室では、以下のようなマイクロ・ナノエレクトロニクス分野における観察・測定に関する研究開発を行っている。 １．走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と光の複合的利用 　　光誘起電流測定、光起電力マッピング ２．走査トンネル分光法（ＳＴＳ） 　　低次元系半導体材料中の新しい物理現象の観察 ３．新しい走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）手法の開発 　　画像獲得の高速化、性能向上のための新しい動作原理の提案 ４．導電性／磁性探針を用いた原子間力顕微鏡（ＡＦＭ） 　　形状と電流の同時測定、ケルビンプローブフォース顕微鏡（ＫＦＭ）による表面 　　電位の測定、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）を利用した微小電流計測

この研究室では、顕微鏡でリアルタイム観察しながら、微細構造物の組立・接合作業を行うシステムを開発しているが、その応用として、10μmm～10nm程度の微細構造物を対象として、実際に破壊実験を行い、力学特性の評価や内部構造の観察を行っている。物体の物性や構造などは、理論的な推定や数値計算などさまざまな方法で評価することが可能であるが、実物を使って直接的な評価は不可欠である。 たとえば、染色体の内部構造を解明することを目的として、凍結乾燥した染色体の断面作製作業を行った。図1に機械的に破断させた染色体の断面写真を示す。ビーム加工による切断面では内部構造にダメージが残るのに対して、機械的に切断した断面には内部構造を表すパターンが観察できることを示した。また破断面の形状から、クロマチンファイバが染色体の軸と垂直方向の層状に折り畳まれていることを示した。 その他にも、図2に示すように、直径30nmの酸化タングステンのナノワイヤを電子顕微鏡下で撓ませて破断させ、ツール先端の変形量からナノワイヤのヤング率や破断強度を求める研究なども行っている。