東京大学産学連携プロポーザル

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。

この研究室では、密度汎関数法による第一原理計算(DFT)、分子動力学計算(MD)、擬連続体計算(QC)、フェーズフィールド法、有限要素法などのシミュレーションを用いて、ナノ・マイクロスケールの強度・物性問題の解明、ならびにマクロまでつながるマルチスケールシミュレーションに取り組んでいる。半導体・金属・酸化物・ポリマーの変形および破壊のシミュレーション、燃料電池電極材料の反応シミュレーション、金属-潤滑油系の潤滑シミュレーションなどを行っている。ナノ・マイクロスケールにおけるこうした現象の解明が実験では困難な場合でもシミュレーションで推定でき、また、実測とよく一致する結果が得られている。

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。

ホワイトボードはオフィスにおいて最も重要な役割を果たしている道具の一つである。メモを書き付けたり、スケッチを描いて考えを整理したり、文章を練る際に要点を書き留めたり、同僚との議論の際に使用したりと様々な目的に使用される。デスクトップコンピュータが分析や清書といったアウトプットに近い作業に使われるのに対し、一般的にホワイトボードはより思考に近いレベルでの創造的な活動に使用されていると考えることができる。この研究室では、このような観察に基づき、計算機によって機能を強化した電子的なホワイトボード（電子白板、通称Flatland）の研究開発を行っている。この電子白板は「手書きの線を書き付けるだけ」という本来のホワイトボードの簡便さを失うことなく、情報の保存や計算・図の整形といった計算機によって可能となる拡張能力を付加したものである。

この研究室では、音の波動性を考慮し、かつ高周波数領域までを高精度で解析できるFMBEM(Fast Multipole Boundary Element Method)による大規模音場に対する解析システムを開発した。このシステムを用いることにより、建築音響解析（室内音響シミュレーションなど）、騒音・振動解析（エンジンの解析など）、電気音響解析（音響機器の開発、ダミーヘッドの音響特性評価など）或いは超音波・水中音響解析などが可能である。

この研究室では、最先端の高分解能分析電子顕微鏡法、収差補正走査透過電子顕微鏡法や ナノプローブ分析電子顕微鏡法などを駆使して、構造および機能セラミックスをはじめとする各種先端材料に関する原子および電子レベルでの構造解析技術を確立している。また、これらの構造解析データと粒界・界面での原子配列についての理論計算を併用することによって、新しい材料機能創出のための設計指針を得ている。

物性科学の分野では電子のバンド構造のトポロジカルな性質（バンドトポロジー）が新たな物質相の発現に重要な役割を担っており、その新たな物質相を活用した様々な魅力的応用が議論されている。このバンドトポロジーの概念を、光や音波、弾性波に適用することで、光や音波の新たな制御技術や応用の可能性が拓かれる。 本研究室では、トポロジーの概念を活用した波動の制御をトポロジカル波動工学とよび、その物理の探求と応用の可能性を探索している。これまでに、フォトニック結晶のバンドトポロジーを制御することで急峻な曲げがあっても高効率に伝搬できる導波路やトポロジーの性質を用いた光および弾性波の共振器等を実現してきた。また、このトポロジーの概念は、音波や機械系、構造物の振動などにも応用が可能であり、音響学や構造体の振動制御などの分野でも広く活用できる可能性があり、その展開を模索している。

入社試験の総合成績、陸上十種競技の総合得点、あるいは各国の豊かさの指数など、いくつかの変数の総合指数を計算し、それに基づいて個体をランキングしたいという場面は世の中に多くある。一般に総合指数は、それぞれの変数に重みを付けて合計する、という形で計算されることが多い。典型的には、各変数の偏差値を合計するという方法がある。しかしこの方法は、統計学的には「特定の変数と総合指数の相関係数が負になる」という不公平が生まれる可能性を内在している。また、多変量解析の一手法である主成分分析を用いて、その第一主成分を総合指数にするという考え方もあるが、重みが負になる場合があり、やはり適切な指数とは言えない。本研究では、Marshall-Olkin の定理と呼ばれる線形代数の定理を応用し、これらの不具合を克服した。結果として得られる指数を客観的総合指数と呼んでいる。

NOxを含む大気中に水蒸気を加え紫外線を照射することにより、減圧下(5.34kPa)、常温下でNO、NO2の低減が可能であることを確認した。また反応動力学を用いた数値計算から常温、大気圧下においても同様の傾向があることを明らかにした。この技術はNOx含有ガスが滞留しているような場所（地下駐車場、バス停交通量の多いトンネル）においてNOxを処理する脱硝装置になどに応用されることが期待される。 図１の説明：　白三角は、実験から求められたNO濃度（FTIRにより計測）を、実線は、数値計算によるNO濃度の予測結果を表す。紫外線照射後、約１５分経過すると最初に100ppm存在していた大気中のNOの濃度はゼロとなる。その途中でNO2濃度（黒三角）が若干増加する（NOがNO2に変換されるため）が、NOと同様に約１５分後には濃度はゼロとなる。それらは最終的には硝酸（HNO3）として回収される。

欧州発であるCircular Economyといった概念の広まり、低炭素化と資源循環の両立など、より高い目標を掲げつつ我が国における循環型社会形成に向けた社会的な取り組みはますます進んでいるところであるが、一般廃棄物処理の最後の砦が自治体による処理であることは何ら変わらない。そうしたなか、平成25年度4月より小型家電リサイクル法が施行され、自治体の廃棄物処理にもますます多様なリサイクルが求められるようになりつつある。当然、施設の規模や配置の決定・収集運搬システムの設計など、自治体におけるリサイクルシステム設計は難しくなる一方である。またそうした中、明示的な費用便益分析から、環境負荷の推計まで説明責任という意味においては、様々な情報を正確に整理する必要もある。 本テーマの中では、自治体並びに民間企業から、こうしたシステム設計にかかる基礎情報を得、研究者サイドで必要な最適化、環境負荷計算などを行うことでその設計に貢献することを意図するものである。担当研究者（村上）は一般廃棄物処理の収集・運搬システムの計算モデルの設計や、関連する費用便益分析、LCA等に実績を持つ。さらに、昨今良く聞かれるCritical Metalに関する研究も多く、リサイクルのターゲットとすべき金属の同定なども研究対象である。研究者側としては、実際のデータを基にこうした設計を行うことで、具体的な情報収集を行い研究のさらなる発展へ活かすと共に、研究を補助する学生の人材育成にも寄与することになると期待している。