東京大学産学連携プロポーザル

樹木は種によって好ましい自然環境が異なっているため、樹種の空間分布や森林の成長量は自然環境の影響を受けている。本研究では樹種と環境要因との関係を定量的に示す方法を検討し、地理情報システム（GIS）を利用することにより、環境要因に対応した天然林の上層を占める樹木の樹種構成の分布や人工林の地位の分布を広域に渡って推定するためのモデルを開発する。数値地形モデル（DEM）から各場所の標高・傾斜・斜面方位・凹凸などの地形条件が定量的に示される。また、各場所が受ける日射量を季節ごとに推定したり、各場所の標高差の関係から流域内の水の流れを予測して各場所における土壌の水分条件を推定したりすることができる。調査を行った区画における植生区分あるいは対象樹種の地位とこれらの要因との関係を解析し、モデル化する。GISを用いて対象地全体の潜在的な植生区分や対象樹種の地位の分布図を作成する。

地理空間情報を地理情報システム（GIS）を用いて解析し、自然環境や社会環境の特徴を検討することが、産官学の多様な場で行われている。その成果は、自然環境保護や防災計画策定などに活用されている。この種の内容は高校の地理の教科書などでも取り上げられており、今後の人材育成が期待されている。しかし、高校生や大学生がこの種の情報処理技術を学ぶ機会は少なく、とくにデータ例を含む実習教材の整備が遅れている。とりわけ自然環境データ（地形など）に関する教材が不足している。

この研究室では、nmからmmスケールといった微視的な機構に支配される重金属の固液平衡、移動、反応現象と、数mから数十mオーダーの空間的広がりを有する汚染物質拡散現象の両者を直結するために、マルチスケール型モデルの開発と統合システムの構築を行っている。実環境に見られる多様な地盤条件（pHや酸化還元状態、地盤の種類、地下水流など）のもと、セメント固化処理土の長期安定性と六価クロムの溶出挙動について、統一的な枠組みで予測するシミュレーション技術の構築を目指すものである。 　現在開発を進めている３次元有限要素法を用いた熱力学連成解析システム（DuCOM）は、節点自由度として温度、間隙水圧、ガス分圧、および様々なイオン種の濃度などを逐次解いていくものである。各自由度の解は、支配方程式である熱エネルギー保存則および水分・気体・イオンなどの質量保存則を満足することが求められる。ここで相互依存性を考慮するにあたって、各々の質量保存則を構成するサブシステム内で個別に解き、十分に微小な時間間隔のもと、各システムで得られる出力値を連成させながら計算を実施していくスキームを採用している。微視的な現象に立脚したセメントの水和進展、空隙構造の形成、クロムの移動・固定化モデルの連成により、実験条件に応じた初期条件と境界条件を入力するのみで、統一的な手法によって溶出挙動が追跡可能となったと言える。この手法を用いてタンクリーチング試験の再現解析を行ったところ、セメント添加量が増加し養生日数が延びるにつれ、水和反応により形成される硬化体構造が緻密にあり、外部への六価クロム溶出量が抑えられることが表現された。

釘を使わずに木材を接合する「継手・仕口」は日本の伝統的な工法であり、建築物や家具の製作に使用されている。伝統的な継手・仕口は美的外観、高品質、および加工性などの点において高く評価されているが、美的要件と機能的要件を満たす必要があるため、設計が非常に困難で、手作業の制作は熟練者にとっても手間がかかる。 この解決策として、本研究室では「継手・仕口」を設計・製作するためのインタラクティブシステムを新たに開発した。本システムは、計算機と切削加工機を用い、カスタムメイドの木工接合部のデザインと製作を容易にするものである。 まずユーザは接合部の加工性、組み立て可能性、強度など性能に関するリアルタイムフィードバックを受け取りながら、接合部を設計する。そして角を丸めるなどの処理をして、計算機制御の切削加工機により接合部を完成させる。このシステムにより、基本的なデジタル製造ツールにアクセスできる人なら誰でも、継手や仕口に関する専門的な知識がなくても、洗練された木製の接合部を作成することが可能となる。 なお、本システムの詳細については、関連情報に掲載のプレスリリース（PDF）をご覧いただきたい。

噴流と超音波により、細胞組織を破壊することなく生体試料である食材を超音波処理する装置の開発を進めている。本装置で28-40 kHzの超音波処理を数分間から１０分間実施することにより、レタス、キャベツ、白菜、水菜、小松菜、ホウレンソウなどの葉物野菜を傷めることなく洗浄し、表面に付着する土埃、泥汚れ、農薬類、添加物を除去することが可能である。ブドウ、イチゴ、リンゴ、レモン等の果物、モヤシ、トマト等をその品質を落とすことなく超音波洗浄することが可能である。また、豚肉、鶏肉等の肉類を超音波処理し、組織を破壊することなく表層の過酸化脂質を選択的に除去して臭みを除去して食味を改善することが可能である。魚体丸ごと、アジの開き、塩サバの切り身、サンマの開き、冷凍魚の切り身、冷凍ホタテ身等を処理し、古くなった魚に特有の臭みや冷凍焼け臭を除去して食味を改善することが可能である。アサリ、シジミ等を超音波洗浄して殻表面の泥汚れと臭みを除去することが可能である。さらに、超音波処理した野菜のシャキシャキした食感が復活し、鮮度が回復することを見出しており、超音波処理が細胞に与える生体影響の解明を進めている。

実験生物学のモデルとしての学術的基盤の整備が進んでいるメダカを用いて環境ストレス応答の研究を行っている。メダカの心拍と瞳孔サイズの変動、活動の概日リズムを指標とする自律神経活動に着目した解析、メダカの全身を連続組織切片とする細胞レベルの全身病理学的解析、メダカの遊泳運動とヒレの動きの数値解析、群れ行動の数値化分析による行動心理学的解析によって、放射線、水温、化学物質、食物などの環境因子がメダカの心身の健康状態に及ぼす影響を評価・解明することを進めている。

気候変動に伴いグローバルな水循環が変化し、これまでにない風水害に見舞われるリスクの増大が懸念され、主に長期投資家などから、多様な観点からの水リスク開示が企業に要求される様になっています。我々の研究グループは気候変動が水リスクに及ぼす影響の研究において世界を先導していて、こうした社会の要求に的確に応えられる水リスク指標を最新の水循環・水資源モデルを用いて推計するシステム構築を進めています。ダム貯留や放流、灌漑や都市用水の取水といった人げ活動が及ぼす影響も的確に考慮した上での水需給バランスの推計や水リスク指標の構築で実績をあげていて、水の環境影響指標であるウォーターフットプリントのISO化にも貢献してきました。近年では、グローバルモデルが、地域スケールでも十分実用になるほどにシミュレーション精度も向上し、洪水リスクの実時間推計システムとしても実装されています。 CSRというよりはビジネス投資の拡大や事業継続、IR対策として水リスク研究に関心のある企業の皆様、あるいは、事業として健全な水循環の構築に貢献しようという企業の皆様方のコンタクトをお待ちしております。

農地をはじめ、河川堤防や建築地盤などの地盤となる土地は、乾燥状態から水分不飽状態にいたるまでのさまざまな水分量を含む水分不飽和な土壌である。現状では、この水分不飽和な土壌の地盤としての機能を正確に評価し、それに基づいた設計を行うためには、なお解明すべき点が残されている。

畜産飼料中には亜鉛、銅が動物薬成分として、また栄養成分として多量に含まれており、畜産廃棄物中にも多く含まれる原因となっている。畜産廃棄物の農業用肥料としての再資源化が促進されているが、近い将来この亜鉛、銅が土壌汚染物質として問題となることが予想される。この研究室では、土壌中における肥料成分の蓄積状況や温暖化ガス発生を含めたその動態の解明に取り組んでおり、亜鉛、銅に関しても重点的に取り組んでいる。

土壌由来の温室効果ガスの発生量、動態は、連続測定データが少ない一方で、放出の時間的変動が非常に大きいということが近年わかってきた。ガス透過性樹脂を土中に埋設し、ターゲットとなるガスをセンシングできるセンサーを挿入することで、土壌中のガス濃度の連続測定が可能になる。