東京大学産学連携プロポーザル

ジェットエンジン、ターボ機械等の研究を行っているこの研究室では、これら機器内部で起きる高速流の解析に必要な実験施設、装置を豊富に有するとともに、充実した計算機環境を利用した数値流体解析が可能で、多くの研究実績を有している。これらをもとに、流体機械内部で起きる不安定流れに基づくフラッター現象の抑制に関して研究を進め、スマート構造（形状記憶合金、ピエゾ素子応用）を動翼（または静止翼）に採用したアクティブコントロールの研究をすすめ、その効果をシミュレーション及び実験により確認している。また、旋回失速の問題についてもアクティブに空気流を追加することによりコントロール可能であることを確認している。

近年、消化器外科手術においては鏡視下手術およびロボット支援下手術などが導入され、その拡大視効果に伴う精緻な手術操作とともに低侵襲な手術が可能となってきており、先進施設を中心にして急速に普及してきている。また血管外科領域においてはAAAに対するステント手術といった低侵襲手術も同様に広く普及してきている。これらの手術が今後はより多くの施設で導入され、中心的な治療法となっていることが予想される。その際、これらの手術を一般の外科医が、より安全に、より確実に施行することが必要になってくるが、そのための手段として3D画像ナビゲーションによる診断・手術支援システムの構築は重要な位置を占めていると考えられる。 脳外科、整形外科、肝臓外科分野を中心に現在3D画像ナビゲーションの臨床応用が実用化されつつあるが、消化管手術、血管外科手術において術中3D画像ナビゲーションでの手術支援はまだ臨床応用されてはいない。この研究室（教授 渡邉聡明）では3D画像ナビゲーションを用いた診断・手術支援システムの構築を多方面から検討し、開発することを目的として研究を進めている。例えば、術前に得られたCT、MRI、PETなどの情報を元に腫瘍、血管等の位置関係を3D情報として再構築し、術中使用する３Dモニター上に表示する、更には、それを、患者の体位や体型を認識した上で、３Dモニター上の手術操作画面に重ね合わせリアルタイムに表示することで術中ナビゲーションを行うことを目指す。このプロジェクトの実現により、リアルタイムな個別の局所解剖認識に基づいた、安全かつ、的確で効率的な手術が可能となる。工学部とも連携のうえで、上記システムの構築を目指している。

深海の熱水噴出域には、化学合成生物がつくる有機物に依存する生物群集が存在する。これらの生物が栄養を得るためには、熱水の近くに生息する必要があるが、熱水には硫化水素等の有害物質が高濃度に含まれている。 この研究室では、熱水噴出域固有生物が硫化水素等の有害物質をどのように無毒化しているのかを解明しようとしている。その際、1000m以深の生息現場の硫化物濃度や温度、pH等を測定する技術や、生物の行動を記録する技術が必要である。

航空機をはじめ車や鉄道などの移動物体周りの流れ場を理解する方法として、数値流体力学を用いた数値解析が日常的に行われるようになってきた。市販ソフトウエアも多数存在するが、導入する場合には流体力学の素養が求められると同時に、格子生成、流体解析、解析結果処理等の一連のプロセスを体得する必要があり、自由に任意形状周りの解析ができるエンジニアの養成には多くの工数を要する。 そこで本研究室では、特に経験を要する格子生成を完全自動化することにより、数値流体解析の敷居を下げ、様々な物体形状周りの解析を容易に実行できる環境の開発を進めている。もとになる形状データと計算条件を指定する入力ファイルのみから、中間生成物である計算格子を意識せずに、計算結果を得ることが可能である。特に実際の工学問題でしばしば現れる非常に複雑な形状についても、完全自動で格子が生成されるため、高速かつ安定して解析結果が得られる（従来の方法では、計算に不具合が生じる場合には計算格子に戻り修正等を行う必要があった）。また、従来は大型計算機の利用が前提であったが、近年のPCの高速化に伴い、手元のPC上でも格子数数百万点規模の計算が可能となりつつある。

近年では産業界だけでなく人間社会にもロボットが導入されつつある。人間とロボットとが共存・共生・協働するためには、人間とロボットが相互に作用しあう人間機械協調システムが必要である。これまでの人間機械協調システムは、ロボット自体の動きや画像処理認識が低速のため、ロボットが人間に協調するのではなく、人間がロボットや機械に協調する形となっていた。このような問題を解決するには、高速ビジョン、高速画像処理、高速ロボットを導入することがシンプルかつ効果的である。 この研究室では人間とシステムが相互作用する場面において「システムが人間の視覚認識速度よりも高速に認識・行動し、人間が認識できない遅延レベルと高速サンプリングレートで人間とシステムとの相互作用を実現する」ことを目指している。その一環として、高速ビジョンと高速ロボットハンドを用いて，人間の動作に完全対応可能な人間機械協調システムを開発している。具体的な例として、勝率100 % じゃんけんロボットを開発し、この研究成果は動画投稿サイトにおいて、500万回以上の再生回数に達し、世界中で注目されている技術である。本技術は、人間の動作に合わせたロボットハンドのミリ秒オーダでの協調制御の可能性を示した一例であり、遅延なしの人間の動作支援や人間との協調作業などに応用展開されると期待できる。実際に、人間との協調動作・人間の作業支援・人間の運動機能拡張等の様々な具体的タスクを実現している。

この研究室では、光、原子両方のレーザーを駆使し量子力学の基礎に関する実験から原子レーザーの産業化に向けた実験にまで取り組んでいる。レーザーを用いて、気体原子を冷却する「レーザー冷却」により、ボース・アインシュタイン凝縮（ＢＥ凝縮）を実現することができ、高密度の干渉性原子集団が得られる。

同じ遺伝情報をもつ細胞集団を、同じ環境下に置いたとして個々の細胞の状態（表現型）には大きなばらつきが見られる。生物はこのような「表現型ノイズ」を積極的に利用しながら柔軟に状態を変化させ、適応や分化などを達成している可能性がある。また、この表現型ノイズの統計的性質は、それ自体がひとつの「表現型」として細胞の状態を特徴づける量となりうるものであり、近年急速に関心が高まっている。 われわれの研究室では表現型ノイズの性質やその生物学的意義を明らかにするため、独自の「1細胞計測技術」を開発している。また、開発した技術を用いて細胞分裂や遺伝子発現のゆらぎの性質を調べている。 　表現型ノイズの生物学的意義を探る研究も精力的におこなっている。最近の例では、バクテリアやがん細胞が抗生物質に対して遺伝子変異なしに耐性を示す「パーシスタンス」と呼ばれる現象の背景機構の解析や細胞の老化現象の解析を行なっている。

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。

この研究室では、1mm～1μm程度の微細構造物を対象とし、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。システムは主に、作業対象を観察する顕微鏡、微細な動きを実現するマニピュレータ、作業に必要な機能を有する工具、作業対象を固定・搬送するパレット、の4要素から構成される。目的とする作業内容や対象物に起因する制約条件を分析し、それらに応じて最適な顕微鏡やマニピュレータを選定し、また種々の機能を持つ工具やパレットを個別に開発してシステムに統合することで、目的とする作業を実現できる。