Quanmatic社、英国OQC社と早稲田大学

量子コンピュータのアルゴリズム開発における基本合意書を締結

アルゴリズムに強みを持つ早稲田大学発のスタートアップ　株式会社Quanmatic（東京都新宿区、代表取締役：古賀 純隆、以下、Quanmatic）、欧州のゲート式量子コンピュータ^*1のリーディングプレーヤである英国Oxford Quantum Circuits社（英国レディング、CEO：イラーナ・ウィスビー、以下、OQC）と早稲田大学グリーン・コンピューティング・システム研究機構（東京都新宿区、機構長：木村啓二、以下、早大GCS機構）は、2023年8月29日（火）にOQCのゲート式量子コンピュータを用いたアルゴリズム開発における基本合意書（Memorandum of understanding：以下基本合意書）を締結いたしました。

本基本合意書は、Quanmatic・OQC・早大GCS機構がOQCのハードウェアにおいて効率的に動作するアルゴリズムの開発と、現実問題への応用を目指すことを目標にしております。継続的な共同開発を行うことにより、ゲート式量子コンピュータによる実社会の課題の解決の早期実現を目指します。当面は早大GCS機構の戸川研究室が強みを持つ最適化の近似解アルゴリズムを現状のOQCのLUCY^*2をベースに開発し、OQCの次世代ハードウェアであるTOSHIKO^*3のリリースに伴い更に量子ビット数を増加させたハードウェアで、更に幅広いアルゴリズムを開発します。

Quanmatic 代表取締役社長 古賀純隆氏のコメント

この度は、欧州に拠点を置くゲート式量子コンピュータのリーディングプレーヤであるOQCと協業できることを誇りに思います。1日も早い量子コンピュータを用いた社会の重要課題の解決に努めてまいります。

OQCジャパン カントリーマネージャー 杉浦敦氏のコメント

Quanmatic様、早稲田大学様のアルゴリズム開発プラットフォームとして協業に参加することを光栄に思います。OQCはワールドクラスの量子コンピューティング・アズ・ア・サービスプラットフォームをシームレスに提供し、その高い可用性と信頼性により開発をより一層推進することに貢献します。

早稲田大学 戸川望教授のコメント

OQC社の量子コンピュータの実機と、Quanmaticの量子ソフトウェアに、大学の研究成果として得られた基盤的な量子アルゴリズムを導入することで、大きく量子アルゴリズム研究が進むことを期待しております。

用語解説

*1：ゲート式量子コンピュータ

量子力学を利用した汎用計算機。

*2：LUCY

OQC社が開発・運用しているゲート式量子コンピュータで、ヨーロッパで初めて商用に稼働したシステム。プライベート接続のほか、Amazon Braketからも利用が可能。

*3：TOSHIKO

OQC社が開発している次世代のゲート式量子コンピュータ。商用のデータセンターに設置され、Enterprise Ready Quantum Solutionとして広く一般に量子コンピューティング・アズ・ア・サービスを提供する。

【株式会社Quanmaticについて】

Quanmatic社は、量子関連技術の活用を目的としたコンピュータサイエンスアルゴリズムの開発を目的とし、早稲田大学戸川望教授（Chief Scientific Officer）の研究シーズを元に、CEO古賀純隆、慶應義塾大学田中宗准教授(Chief Technology Officer)とChief Product Officer武笠陽介の4名で2022年10月に設立したスタートアップです。アルゴリズム知財をビジネス課題に適用するための最適化エンジンの開発を継続して進め、ハードウェアに依存しない汎用的な量子計算技術の効率化ソリューションを展開します。https://quanmatic.com/

【OQCについて】

OQCは、量子コンピューティングの世界的なリーディングカンパニーです。お客様が量子をより身近に利用して、画期的な発見ができるよう支援します。当社の量子コンピュータは、データセンター、プライベートクラウド、Amazon Braketで利用可能です。OQCに関する詳細はこちらにてご覧いただけます。www.oxfordquantumcircuits.com

【早稲田大学戸川研究室について】

早稲田大学戸川研究室は、同大理工学術院基幹理工学部情報通信学科ならびに同大グリーン・コンピューティング・システム研究機構で研究教育活動を行っております。量子ソフトウェア、量子アプリケーションなどを研究開発し、産官学が連携して社会課題の解決を目指しています。　https://www.togawa.cs.waseda.ac.jp/professor.html

Direct Power Generation from Methylcyclohexane Using Solid Oxide Fuel Cells

Researchers have successfully generated electricity directly from methylcyclohexane, an organic hydride, using solid oxide fuel cells, with lower energy than conventional catalytic dehydrogenation reactions.

Methylcyclohexane is very promising as a hydrogen carrier that can safely and efficiently transport and store hydrogen. However, the dehydrogenation process using catalysts has issues due to its durability and large energy loss. Recently, Japanese researchers have succeeded in using solid oxide fuel cells to generate electricity directly from methylcyclohexane and recover toluene for reuse. This research is expected to not only reduce energy requirements but also explore new chemical synthesis by fuel cells.

Methylcyclohexane (MCH), a type of organic hydride, is expected to be an excellent hydrogen carrier because it remains liquid at room temperature, is easy to transport, has low toxicity, and has a higher hydrogen density than high-pressure hydrogen. Dehydrogenation—the process of removing hydrogen atoms from molecules—in the presence of a catalyst, yields hydrogen and the byproduct toluene, which can then be used to generate electricity to produce CO2-free power. However, the dehydrogenation reaction is an endothermic reaction, and energy loss as well as the facilities required for the reaction are issues.

Recently, a team of researchers from Japan, led by Professor Akihiko Fukunaga from the Department of Applied Chemistry at Waseda University, has succeeded in generating electricity directly from MCH using solid oxide fuel cells (SOFC). Their work was made available online on July 4, 2023 in Volume 348 of Applied Energy.

The research team tried to perform two processes simultaneously in a fuel cell: dehydrogenation from organic hydrides, which is an endothermic reaction, and electricity generation, which is an exothermic reaction. To achieve this, they used an anode-supported solid oxide fuel cell with a higher operating temperature than that of a polymer electrolyte fuel cell. They operated it at a temperature that did not allow pyrolysis of organic hydrides and under conditions that prevented carbon deposition at the electrodes. The production ratio of toluene to benzene was 94:6. This achievement demonstrated the possibility of generating electricity without using dehydrogenation facilities which were conventionally required and using less energy than that required for dehydrogenation reactions using catalysts.
In addition, “It was elucidated that by changing the conditions, oxygen groups could be introduced into the aromatic skeleton using a fuel cell” reveals Fukunaga.

These results indicate that the MHC reacts with the conducting oxygen ions in the SOFC to successfully generate electricity. Thus, power can be generated directly from MHC, and the energy required for direct power generation is lesser than that required for the conventional catalyst-assisted dehydrogenation reaction of MCH.

“Fuel cells have been studied and developed as devices that produce highly efficient, carbon-free electricity through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. In this study, we have demonstrated that this device can be applied to control dehydrogenation reactions from organic hydrides and oxygen substitution reactions of aromatic rings. In the future, new synthetic chemistry may be created by applying fuel cells.” concludes Fukunaga. Here’s hoping that the proposed technology will pave the way to a sustainable hydrogen-based society!

Reference

Authors

Akihiko Fukunaga¹, Asami Kato¹, Yuki Hara¹, and Takaya Matsumoto

Title of original paper

Dehydrogenation of Methylcyclohexane Using Solid Oxide Fuel Cell – A Smart Energy Conversion

Journal

Applied Energy

DOI

10.1016/j.apenergy.2023.121469

Affiliations

¹ Department of Applied Chemistry, Waseda University

About Waseda University

Located in the heart of Tokyo, Waseda University is a leading private research university that has long been dedicated to academic excellence, innovative research, and civic engagement at both the local and global levels since 1882. The University has produced many changemakers in its history, including nine prime ministers and many leaders in business, science and technology, literature, sports, and film. Waseda has strong collaborations with overseas research institutions and is committed to advancing cutting-edge research and developing leaders who can contribute to the resolution of complex, global social issues. The University has set a target of achieving a zero-carbon campus by 2032, in line with the Sustainable Development Goals (SDGs) adopted by the United Nations in 2015.

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About Professor Akihiko Fukunaga

Dr. Akihiko Fukunaga is a Faculty of Science and Engineering at the School of Advanced Science and Engineering at Waseda University in Japan. He received his Ph.D. from Waseda University in 1999 and has been a Professor of Applied Chemistry there since 2019. Prior to that, he worked at JXTG Nippon Oil & Energy Corporation from 1984 to 2019, where he successfully commercialized the residential fuel cell system, EneFarm. His research interests include energy materials, hydrogen, fuel cells, and carbon recycling.

雲水の野外観測で初めてマイクロプラスチックの存在を実証

雲水中のマイクロプラスチックが想定以上に環境および健康リスクを高めていることが明らかに

発表のポイント

• これまで、野外観測により雨水から大気中マイクロプラスチック（AMPs）が検出されてきましたが、雲水中にAMPsが含まれていることは実証されていませんでした。
• 本研究グループは、自由対流圏*1に位置する富士山頂（標高 3,776 m）、大気境界層に位置する富士山南東麓（標高1,300 m）、および丹沢大山山頂（標高1,252 m）で2021年から2022年にかけて雲水44試料を採取し、世界で初めて雲水の野外観測によりAMPsの存在を明らかにし、その特徴や起源を解明しました。
• 本研究により、雲水中ではカルボニル基などの親水基を有するAMPsが濃縮され、本来は親水基を有しないポリエチレン、ポリプロピレンも紫外線劣化が進行することにより、これまでの想定以上にAMPsが雲凝結核*2や氷晶核として機能し、環境および健康リスクを高めていることが明らかになりました。

概要

早稲田大学理工学術院の大河内 博（おおこうち　ひろし）教授、同理工学術院博士後期課程4年の王 一澤（おう　いちたく）、東洋大学理工学部応用化学科の反町 篤行（そりまち　あつゆき）教授、およびPerkinElmer Japan合同会社をはじめとする研究グループは、雲水中に含まれる大気中マイクロプラスチック（Airborne MicroPlastics: AMPs）存在量と特徴を解明することに初めて成功しました。

マイクロプラスチックによる大気汚染の危険性が叫ばれる中、本研究成果はAMPsの実態解明の一貫として雲水中AMPsの存在量を明らかにすることで、まだ黎明期である同分野の今後の研究の必要性と新たな課題を浮き彫りにしました。

図1:大気中マイクロプラスチックの想定される起源と環境リスク

本研究成果は、『Environmental Chemistry Letters』誌（論文名：Airborne hydrophilic microplastics in cloud water at high altitudes and their role in cloud formation）にて、2023年8月14日（現地時間）にオンライン掲載されました。

（１）これまでの研究で分かっていたこと

自由対流圏は風速が強いため、主要な大気汚染物質の長距離輸送経路であるといえます。大気中マイクロプラスチック（AMPs）も自由対流圏エアロゾルから検出されており、自由対流圏を通じて極域に輸送されていることが先行のモデル研究によって明らかにされています。極域生態系は脆弱であることから、大気を通じて大量のAMPsが輸送されると、重大な環境破壊が懸念されます。
AMPsは大気中を輸送されるだけではなく、上空では紫外線が強いことから、地上部よりも劣化速度が速く、温室効果ガスであるメタンや二酸化炭素を放出したり、雲凝結核や氷晶核として雲形成を促進する可能性が指摘されています。

これまでの野外観測により、雨水からはAMPsが検出されています。プラスチックは疎水性であるために水をはじきますが、紫外線劣化したり、有機汚染物質や重金属が表面吸着すると親水性になることが指摘されてきました。しかしながら、雲水中にAMPsが含まれていることは野外観測により実証されていませんでした。

（２）今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

世界ではじめて雲水の野外観測によりAMPsの存在を明らかにし、その特徴や起源を明らかにすることを目的として、自由対流圏に位置する富士山頂（標高 3,776 m）、大気境界層に位置する富士山南東麓（標高1,300 m）、丹沢大山山頂（標高1,252 m）で2021年から2022年にかけて雲水44試料を採取しました。

図2:雲水の採取地点

この結果、3地点で雲水から合計70個、9種類のAMPsを検出しました。さらに、PM2.5と比較すると雲水ではポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリアミド6（PA）、ポリカーボネート（PC）などカルボニル基を有するポリマーが多く、本来はカルボニル基を有さないポリプロピレン（PP）では紫外線劣化が進行したものが多いことを明らかにしました。形状は破片状が多く、平均濃度は3地点で6.7~13.9（個/L）であり、実粒径は7.1～94.6 μmでした。さらに、後方流跡解析により、自由対流圏の雲水中AMPsの起源として、海洋マイクロプラスチックの飛散および輸送が重要である可能性が示されました。

図3:雲水中AMPsの実粒径分布と形状割合

図4：雲水中AMPsの個数濃度とポリマー組成（PE：ポリエチレン、PP：ポリプロピレン、PE/PP：エチレンプロピレン共重合体、PUR：ポリウレタン、PA：ポリアミド6、PC：ポリカーボネート、AR：アクリル樹脂、EP：エポキシ樹脂）

（３）そのために新しく開発した手法

PerkinElmer Japan合同会社との共同研究により、µFTIR ATRイメージング法*3によるAMPs計測手法の新規開発に取り組み、最小粒径で2 µm程度までの計測を可能にしました。また、AMPs劣化度評価とともに劣化度を考慮したAMPs専用データベースを新たに構築しました。作業効率と定量精度向上のために最終ろ過面積（Φ4mm）の22.4 %計測を標準とし、低濃度試料分析では最終ろ過面積をΦ1 mmに絞り、全面積70 %以上の計測を可能としました。

（４）研究の波及効果や社会的影響

本研究により、カルボニル基を有するAMPsが雲水中に濃縮されていることが明らかになったことから、カルボニル基を有する汎用プラスチックのみならず、本来は親水基を有しないポリエチレン、ポリプロピレンも紫外線劣化が進行することにより、カルボニル基や水酸基などの親水基を有することにより、モデル研究による想定以上に雲凝結核や氷晶核として機能している可能性が高いことが明らかになりました。

図5：カルボニルインデックスとヒドロキシルインデックス^*4によるポリプロピレン劣化度評価

AMPsの雲形成能が高ければ、太陽光をより散乱して放射収支に影響を及ぼすとともに、降雨量分布を変化させ、気候変動に関与している可能があります。また、気候変動のみならず、健康リスクも懸念されます。雨水はすべての陸水の源ですが、雲水にAMPsが含まれていれば「プラスチックの雨」が地上に降り注ぐことになります。すなわち、AMPsを空気から直接、肺に取り込むだけではなく、雨水として地上に降りそそぐことにより水源を汚染し、陸水を利用する農業や畜産業を通じて体内摂取量を増大させ、健康リスクを高める可能性があります。今後、AMPsの存在量とその環境および健康リスクについての知見をさらに集積することが重要となります。

（５）今後の課題

本研究では、雲水中AMPsの実態解明を国内山間部3箇所で行いましたが、全容解明にはほど遠い状況です。全世界における高所山岳域、航空機を用いた陸域および海洋の雲水中AMPsの実態解明が必要となります。そのためには、国際ネットワークの構築が喫緊の課題といえます。
一方、AMPsの紫外線劣化に伴うメタンや二酸化炭素放出量の実測およびモデル研究はほとんど行われていません。AMPsが地球温暖化に影響するのか、地球冷却化に影響するのは未だに未解明であり、地球温暖化の将来予測において不確実性を増大させている可能性があります。

（６）研究者のコメント

本研究は、AMPsの実態解明の一貫として、雲水中AMPsの存在量と特徴を明らかにしたものです。AMPsの先行研究は手法が統一されておらず、十分な精度管理も行われていない状況です。AMPs研究は黎明期であることから、産官学民連携のオールジャパンでAMPs研究を推進し、世界をリードしてまいります。

（７）用語解説

※１ 自由対流圏
対流圏内の大気境界層上空にある、地上からの直接的な影響を受けにくい高度約2から2.5 kmより上空の大気層のことです。自由対流圏は、地上から放出される大気汚染物質の影響を直接受けないのでバックグランド大気とも呼ばれています。

※２ 雲凝結核
大気中では吸湿性粒子が存在しており、相対湿度が100%（水飽和）を超えると微水滴（雲粒）が形成されます。これらの吸湿性粒子は一般的には凝結核(condensation nucleus)といい、1～2％未満の水過飽和度で雲粒の大きさまで成長するものを雲凝結核(cloud condensation nucleus: CCN)と呼びます。

※３ µFTIR ATRイメージング法
プラスチック分析に使用される代表的な方法が、フーリエ変換型赤外分光法（Fourier Transform Infrared Spectroscopy; FTIR）です。数mm程度の大きさであればFTIRで分析可能ですが、100 µm以下の微小な物質をFTIRで判別する場合には顕微FTIR （micro FTIR; µFTIR）が利用されます。
大気中マイクロプラスチックを前処理後に集めた最終フィルタ上の広い面積を、可能な限り小さな領域に分割するので計測には非常に時間がかかります。このような広い面積の膨大なスペクトルを高速、高感度で取得する技術が赤外イメージング（FTIRイメージング）です。ATR（Attenuated Total Reflection）イメージングは、サンプルにATRクリスタルと呼ばれる高屈折率の光学結晶を接触させた状態でイメージング測定する方法であり、FTIRイメージング測定法の中で最も小さいものが測定できる技術です。

※４ カルボニルインデックスとヒドロキシルインデックス
光酸化されたPEやPPには分子量低下、カルボニル基や水酸基の生成と増加、サンプル表面の多数の割れや孔の発生などが観察されます。カルボニルインデックス（carbonyl index）やヒドロキシルインデックス（hydroxyl index）はプラスチックの劣化度の指標であり、プラスチックの光酸化によって生成したカルボニル(C=O)ピークの吸光度とベースとなるメチレン(CH2)ピークの吸光度の比、水酸基（OH）ピークの吸光度とベースとなるメチレン(CH2)ピークの吸光度の比から算出されます。

（８）論文情報

雑誌名：Environmental Chemistry Letters
論文名：Airborne hydrophilic microplastics in cloud water at high altitudes and their role in cloud formation
執筆者名（所属機関名）：王 一澤1、 大河内 博1、 谷 悠人1、 速水 洋1、 皆巳 幸也2、 勝見 尚也2、竹内 政樹3、 反町 篤行4、 藤井 佑介5、 梶野 瑞王6、 足立 光司6、 石原 康宏7、 岩本 洋子7、 新居田 恭弘8
(1早稲田大学、 2石川県立大学、 3徳島大学、 4東洋大学、 5大阪公立大学、 6気象研究所、 7広島大学、8 PerkinElmer Japan合同会社)
掲載日時（現地時間）：2023年8月14日
掲載URL：https://doi.org/10.1007/s10311-023-01626-x
DOI：10.1007/s10311-023-01626-x

（９）研究助成（外部資金による助成を受けた研究実施の場合）

研究費名：(独)環境再生保全機構環境研究総合推進費(JPMEERF20215003)
研究課題名：大気中マイクロプラスチックの実態解明と健康影響
研究代表者名（所属機関名）：大河内　博（早稲田大学）

2022年の終わり頃から、「ChatGPT」をはじめとする生成系人工知能（以下、生成AI）が大きな話題を呼んでいます。ChatGPTは入力欄に聞きたいことを打ち込むと、まるで人と話しているかのように答えを返してくれる対話型のAIです。その利便性の高さから、従来の検索エンジンに替わる新たなツールとして注目されています。

こうしたAIは私たちの暮らしや未来をどう変えていくのでしょうか。また、私たちはAIとどう付き合っていけばいいのでしょうか。今回は早大生が実際にChatGPTを体験した上で、早稲田大学の「AIロボット研究所」の尾形哲也教授と河原大輔教授に話を聞きました。

「Rikohティータイムシンポジウム」は、理工系研究者や技術者を目指して勉強や研究に励む学生や研究者の皆さんに、おそらく何年か後に、あっというまにおとずれるかもしれない人生の岐路のいくつかについて、身近に、そして具体的にイメージできる場の提供を目的として、2015年から開催しています。

第9回を迎える今回のテーマは「大学院のすゝめ」。

「大学院での学び」に焦点を当て、大学院博士課程から企業・大学で活躍されているお二人をお招きします。大学院への進学、その後それぞれの道を選択し、歩みをすすめていらっしゃる講師の話を聞いて、ぜびご自身のキャリアや将来像を考えるヒントを見つけてください。

第2部では、講師・司会の他、本学大学院生（修士・博士）にも参加いただき、参加者の皆さんからの質問、疑問にお答えしていきます。ディスカッションを通して何らかのヒントを学び取ってください。

日時

2023年7月28日（金）15：30 – 17：15（受付開始15:15）

対象

本学の理工系研究者・学生・関係教職員　附属・系属校生徒

会場

西早稲田キャンパス 63号館202教室
※Campus Map

オンライン（Zoomウェビナー）
※当日会場での参加が難しい場合は、オンライン参加も可能です。申し込み時にオンライン参加を選択された方にのみウェビナー情報をお送りします。

言語

日本語

申込方法

事前申込制（以下申込フォームからお申し込みください）

当日のご案内はイベント前日までに登録いただきましたメールアドレス宛にお知らせいたします。

スケジュール（予定）

■第１部（講師講演）
15:30　開会・挨拶
15:35　講師講演
16:10　第１部終了予定

■第２部（講師・大学院生と参加者によるパネルディスカッション）
16:10　キャリア講義（司会より）
16:20　講師・大学院生と参加者によるパネルディスカッション
17:00　自由歓談
17:15     第２部終了・閉会予定

講師（アドバイザー）

橋田　朋子（HASHIDA Tomoko)　氏　理工学術院教授

＜略歴＞
2003年 東京藝術大学音楽学部楽理科卒業
2008年 東京大学大学院学際情報学府博士課程単位取得退学

博士（学際情報学）。東京大学（IML・情報理工学系研究科）特任研究員, 早稲田大学基幹理工学部表現工学科専任講師, 同准教授を経て2021年より現職。よく知っているようで思いがけないモノ・コトを作り、身近な対象の再発見や新たな価値化を目論む研究・作品制作に従事。 https://tomokohashida.tumblr.com

＜メッセージ＞
大学院では恩師や尊敬する研究者仲間をはじめ、沢山の人との出会いに恵まれました。また授業や研究に加えて、多様なプロジェクトやアウトリーチ活動の機会があり、社会との接点を感じながら活気のある毎日を送りました。私は学部と大学院で大きく専門を変えましたが、好奇心の赴くままに全力投球していると、色々な方が力になって下さり、分野もキャリアも道が開けたように思います。このシンポジウムでは皆さんがポジティブに未来を考えるお手伝いができたら嬉しいです。

新里　絵美（NIISATO Emi）氏　ユーシービージャパン株式会社　メディカルアフェアーズ本部　ニューロロジーメディカルサイエンス部　メディカルサイエンスリエゾン

＜略歴＞
2003年 – 2007年3月 明治大学理工学部物理学科卒業
2007年 – 2008年9月 University of Edinburgh, College of medicine and veterinary medicine, School of Biomedical Science　卒業
2009年 – 2012年3月 早稲田大学大学院先進理工学研究科生命医科学専攻 博士後期課程修了 博士（理学）

2010年10月 – 2010年12月 ベーリンガーインゲルハイム ジャパン株式会社
所属：Molecular & Cellular Biology Department
役職：研究員（インターンシップ）
2012年4月 – 2016年10月 シーメンスヘルスケア株式会社
所属：カスタマーサービス本部　アプリケーション事業部
役職：アプリケーションスペシャリスト
2016年 – 2020年10月 Siemens Healthcare Limited, Taiwan
所属：マーケティング部　ダイアグノスティック
役職：MRリサーチコラボレーションサイエンティスト
2020年 12月 – 現在 ユーシービージャパン株式会社
所属：メディカルアフェアーズ本部　ニューロロジーメディカルサイエンス部
役職：メディカルサイエンスリエゾン

＜メッセージ＞
国内女性の博士課程進学者はまだまだ少ないですが、幸運なことにそれを壁に感じたりすることもなく、高校生の頃から研究者になりたいと思っていました。ところが、海外で修士課程を卒業したことをきっかけに、博士課程に進んだ後は企業で働きたいと強く思うようになりました。国内外の医療機器業界で8年勤めた後製薬業界にシフトチェンジした経験を持つので、将来様々な可能性が広がっていることをお伝えできればと思っています。

※司会進行：高山　あかり　氏　早稲田大学理工学術院　准教授

主催

早稲田大学ダイバーシティ推進室

共催

早稲田大学理工学術院

後援

早稲田大学キャリアセンター

参加にあたっての注意事項

• イベントの撮影、録画、録音は固くお断りいたします。
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ご参加にあたり、特別な配慮を希望される方は、6月30日（金）までに[email protected]へご希望の内容をお知らせください。
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お問い合わせ先

早稲田大学ダイバーシティ推進室
E-mail：[email protected]

A Novel, Completely Solid, Rechargeable Air Battery

 A benzoquinone-based negative electrode and solid Nafion polymer electrolyte are used in this first-of-its-kind battery

Solid-state batteries use solid electrodes and solid electrolytes, unlike the more commonly known lithium-ion batteries, which use liquid electrolytes. Solid-state batteries overcome various challenges associated with liquid-based batteries, such as flammability, limited voltage, unstable reactants, and poor long-term cyclability and strength. Making advances in this field, researchers recently demonstrated an all-solid-state rechargeable air battery composed of a redox-active organic negative electrode and a proton-conductive polymer electrolyte.

Metals are typically used as active materials for negative electrodes in batteries. Recently, redox-active organic molecules, such as quinone- and amine-based molecules, have been used as negative electrodes in rechargeable metal–air batteries with oxygen-reducing positive electrodes. Here, protons and hydroxide ions participate in the redox reactions. Such batteries exhibit high performance, close to the maximum capacity that is theoretically possible. Furthermore, using redox-active organic molecules in rechargeable air batteries overcomes problems associated with metals, including the formation of structures called ‘dendrites,’ which impact battery performance, and have negative environmental impact. However, these batteries use liquid electrolytes—just like metal-based batteries—which pose major safety concerns like high electrical resistance, leaching effects, and flammability.

Now, in a new study published in Angewandte Chemie International Edition on May 2, 2023, a group of Japanese researchers have developed an all-solid-state rechargeable air battery (SSAB) and investigated its capacity and durability. The study was led by Professor Kenji Miyatake from Waseda University and the University of Yamanashi, and co-authored by Professor Kenichi Oyaizu from Waseda University.

The researchers chose a chemical called 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone (DHBQ) and its polymer poly(2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone-3,6-methylene) (PDBM) as active materials for the negative electrode due to their stable and reversible redox reactions in acidic conditions. In addition, they utilized a proton-conductive polymer called Nafion as the solid electrolyte, thereby replacing conventional liquid electrolytes. “To the best of my knowledge, no air batteries based on organic electrodes and solid polymer electrolyte have been developed yet,” says Miyatake.

After the SSAB was in place, the researchers experimentally assessed its charge–discharge performance, rate characteristics, and cyclability. They found that unlike typical air batteries that use a metallic negative electrode and an organic liquid electrolyte, the SSAB did not deteriorate in the presence of water and oxygen. Furthermore, replacing the redox-active molecule DHBQ with its polymeric counterpart PDBM formed a better negative electrode. While the per gram-discharge capacity of the SSAB-DHBQ was 29.7 mAh, the corresponding value of the SSAB-PDBM was 176.1 mAh, at a constant current density of 1 mAcm^-2.

The researchers also found that the coulombic efficiency of SSAB-PDBM was 84% at 4 C rate, which gradually decreased to 66% at 101 C rate. While the discharge capacity of SSAB-PDBM reduced to 44% after 30 cycles, by increasing the proton-conductive polymer content of the negative electrode, the researchers could significantly improve it to 78%. Electron microscopic images confirmed that the addition of Nafion improved the performance and durability of the PDBM-based electrode.

This study demonstrates the successful operation of an SSAB comprising redox-active organic molecules as the negative electrode, a proton-conductive polymer as the solid electrolyte, and an oxygen-reducing, diffusion type positive electrode. The researchers hope that it will pave the way for further advancements. “This technology can extend the battery life of small electronic gadgets such as smartphones and eventually contribute to realizing a carbon-free society,” concludes Miyatake.

Reference

Authors

Makoto Yonenaga¹, Yusuke Kaiwa², Kouki Oka^2,3, Kenichi Oyaizu², and Kenji Miyatake¹

Title of original paper

All-Solid-State Rechargeable Air Batteries Using Dihydroxybenzoquinone and Its Polymer as the Negative Electrode

Journal

Angewandte Chemie International Edition

DOI

10.1002/anie.202304366

Affiliations

¹Clean Energy research Center, Fuel Cell Nanomaterials Center, University of Yamanashi
²Department of Applied Chemistry, Research Institute for Science and Engineering, Waseda University
³Center for Future Innovation (CFI) and Department of Applied Chemistry, Graduate School of Engineering, Osaka University

Funding Information

This work was partly supported by the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT), Japan, through Grants-in-Aid for Scientific Research (18H05515, 23H02058), MEXT Program: Data Creation and Utilization Type Material Research and Development Project (JPMXP1122712807), and JKA promotion funds from AUTORACE.

About Waseda University

Located in the heart of Tokyo, Waseda University is a leading private research university that has long been dedicated to academic excellence, innovative research, and civic engagement at both the local and global levels since 1882. The University has produced many changemakers in its history, including nine prime ministers and many leaders in business, science and technology, literature, sports, and film. Waseda has strong collaborations with overseas research institutions and is committed to advancing cutting-edge research and developing leaders who can contribute to the resolution of complex, global social issues. The University has set a target of achieving a zero-carbon campus by 2032, in line with the Sustainable Development Goals (SDGs) adopted by the United Nations in 2015.

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About Professor Kenji Miyatake

Kenji Miyatake received his Ph.D. degree in chemistry from Waseda University in 1996. He was a Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) postdoctoral fellow at McGill University from 1999 to 2001. In 2001, he was offered an associate professor position at the Clean Energy Research Center at the University of Yamanashi, where he currently serves as a professor. He also holds a professor position in his alma mater since 2020. He is also a Fellow of the Royal Society of Chemistry.

「令和5年度科学技術分野の文部科学大臣表彰」において、本学から5名の研究者が受賞しました。
科学技術の発展等に寄与する可能性の高い独創的な研究又は発明を行った研究者を表彰する「科学技術賞（研究部門）」に理工学術院の 尾形哲也教授、柴田重信名誉教授、竹山春子教授、ゲスト・マーティン教授、萌芽的な研究・独創的視点に立った研究等高度な研究開発能力を示す顕著な研究業績をあげた若手研究者を表彰する「若手科学者賞」に、理工学術院の水内良専任講師が選ばれました。
以下に、各受賞者のコメントを掲載いたします。

科学技術賞　研究部門

受賞業績：深層予測学習によるロボットのマルチタスク学習に関する研究
理工学術院　尾形 哲也　教授

受賞コメント
この度は、「深層予測学習によるロボットのマルチタスク学習に関する研究」に対し、文部科学大臣科学技術賞を受賞することができ、大変光栄に思っております。ロボットの知覚と身体運動の実時間予測を深層学習により実現することで、ロボットが複数のタスクを学習し、実世界での活動を自律的かつ効率的に行える方法論を追求しました。今回の研究成果は、ロボット工学の分野における新たな展望を切り拓くものであり、今後、産業応用、医療分野、災害対応など実社会の多様な分野への応用が期待できると考えています。受賞には、これまでに研究に関わってくれた多くの皆様の協力と支援がありました。改めて受賞に対して心からの感謝の意を表し、これからも一層の研究成果を追求していく覚悟をお伝えしたいと思います。ありがとうございました。。

受賞業績：時間栄養と時間運動の確立と健康科学への応用研究
理工学術院　柴田 重信　名誉教授

受賞コメント
この度は、栄誉ある科学技術賞 研究部門を頂戴し、大変光栄に存じております。この研究にかかわっていただいた皆様、特に研究室所属の大学院生スタッフ、さらに共同研究先の方々には大いに感謝しております。
本研究は、体内時計に支配される時間軸の健康科学を推進する一環として、食事や栄養素を摂るタイミングや運動のタイミングの重要性を学問的に明らかにしました。従来、健康維持には食物の内容、調理法、量についての要素が重要視されてきましたが、今回の発見により同じ食物でも朝食や夕食で効果が異なるなど摂取するタイミングも重要な要素であることが分かりました。運動も然りで、運動効果に対するタイミングの違いを明らかにしてきました。時間栄養学や時間運動学という新たな学問分野が開拓され、時間軸の健康科学の発展が期待されます。
引き続き、研究成果の社会実装に向け研究を続けており、今後ともご指導ご鞭撻をよろしくお願い申し上げます。

受賞業績：シングルセル技術による環境有用微生物の深層解析研究
理工学術院　竹山 春子　教授

受賞コメント
科学技術賞を頂くことができて大変光栄に思います。研究を支えてくださった先生方、研究室のスタッフ・メンバーには深く感謝いたします。
先進理工学部生命医科学科創立とともに研究室を立ち上げ、今回受賞に至った環境微生物のシングルセル解析技術の開発研究をスタートしました。環境に存在する多くの難培養性微生物の利活用が目的でした。将来どのような場所でも解析ができる技術を目標として、ドロップレットを用いたシングルセルのハンドリング方法、さらにはゲノム解析と進みました。また、ラマン分光法と出会ったことで、既存の機器分析手法では不可能であったシングルセルレベルでの代謝産物同定を可能とする道が開かれました。微生物シングルセルオミックス解析技術が多くの研究に貢献できるよう、プラットホーム化を産官学連携で進めております。
新技術が新たな道を拓く、という信念で今後もさらなる発展に努めたいと思います。今後とも皆様のご支援よろしくお願いいたします。

受賞業績：tt*方程式および量子コホモロジーに関する一連の研究
理工学術院　ゲスト・マーティン　教授

受賞コメント
I am very honoured to receive the Science and Technology Award in the Research Category. It has been a great privilege for me to have worked as a professor in Japan for more than 20 years, and I deeply appreciate the kindness of my friends and colleagues here, which have made this possible. My research area is differential geometry, a subject which combines algebra and analysis with geometrical ideas. The problems we study are often related to theoretical physics – quantum theory, string theory, mirror symmetry, and so on. Building the mathematical foundations of this area in the 21st century is a huge task, and one that is truly international. Until the 19th century, mathematics was regarded as a subject for brilliant young men (mostly European). In the 21st century the subject is too broad for any one man; everyone is needed: young and old, men and women, black and white, from every country. I would like to express my sincere gratitude for the opportunities I have received to take part in this endeavour.

若手科学者賞

受賞業績：自己複製分子システムを用いた原始生命進化に関する研究
理工学術院　水内 良　専任講師

受賞コメント
この度は文部科学大臣表彰若手科学者賞を受賞し、誠に光栄に存じます。
これまでご指導やご助言賜った先生方、選考委員の皆様に心より感謝申し上げます。本研究では、生命の起源という自然科学の根源的な問いに挑戦しました。原始生命の痕跡は現存生命や化石には残っておらず、これまではその進化過程を推測するほかありませんでしたが、原始生命を模擬した分子のシステムを試験管内で構築し、それを実験室の中で進化させることで、原始生命にありえた進化の道筋を直接観察できるようになりました。このような基礎研究を高く評価していただいたことを心より嬉しく思っています。
私は本賞の受賞とともに、2023年4月に早稲田大学に着任し、新たに研究室を主宰しております。これからは研究室メンバーと共に生命の起源の謎に迫り、また研究成果を合成生物学における技術開発へと繋げていきたいと考えています。今後ともご指導ご鞭撻を賜りますようお願い申し上げます。

繰り返し充放電可能な全固体空気二次電池を開発

高分子電解質膜と酸化還元活性な有機化合物を組み合わせる

【発表のポイント】

水素イオン（プロトン）を可逆的に取り込みできる有機化合物とプロトン伝導性の高分子薄膜を組み合わせて、繰り返して充放電できる全固体空気二次電池を開発した。

一定速度（放電レート15C）における発電で、30サイクル繰り返し充放電可能なことを確認した。

小型軽量で液漏れや発火の危険性がなく折り曲げても使える可能性があるため、モバイル機器などへの応用が期待できる。

山梨大学クリーンエネルギー研究センター・早稲田大学理工学術院の宮武 健治（みやたけ けんじ）教授、早稲田大学理工学術院の小柳津 研一（おやいづ けんいち）教授らの研究グループは、水素イオン（プロトン）を可逆的に取り込みながら酸化還元反応する有機化合物とプロトン伝導性の高分子薄膜を組み合わせることにより、繰り返し充放電することができる「全固体空気二次電池」を開発しました。

空気電池^※1は空気中の酸素（正極活物質）と金属（負極活物質）、イオン伝導性の電解質から構成される電池ですが、多くの場合液体電解質を用いているため、液体の漏れや蒸発、発火など安全性に課題があります。また、負極活物質が酸素や水分により劣化することも課題となっています。本研究により、プロトン伝導性高分子薄膜^※２を電解質に、酸化還元活性な有機化合物を負極活物質に用いることで、可搬性と安全性に優れ、繰り返して充放電して使用することができる全固体空気二次電池の開発に成功しました。一定速度（放電速度15C）における発電実験で、30サイクル繰り返して充放電が可能であることも確認されました。今後、構成材料の高性能化・最適化や耐久性などを改善することで、携帯電話や小型電子デバイスなどモバイル機器用の電源として応用できる可能性があります。

本研究成果は、2023年5月16日（火）にドイツ化学会が発行するハイインパクトの学術雑誌『Angewandte Chemie International Edition』のオンライン版で公開されました。

【論文情報】
雑誌名：Angewandte Chemie International Edition
論文名：All-Solid-State Rechargeable Air Batteries Using Dihydroxybenzoquinone and Its Polymer as the Negative Electrode
DOI：10.1002/anie.202304366

(1) これまでの研究で分かっていたこと

繰り返し充放電が可能な二次電池は携帯機器や電気自動車など様々な分野に応用されており、小型軽量化、高容量化、低コスト化を目指した研究が世界的に活発に進められています。なかでも正極の活物質に空気中の酸素を使う空気二次電池は、他の二次電池と比べて著しく高い理論エネルギー密度を持つことから注目を集めています。

これまでの空気二次電池は負極活物質としてリチウムなどの金属、電解質として非水系の有機電解質溶液が主に用いられていますが、負極活物質の劣化や電解液の漏れ出しなど多くの課題があります。固体電解質を用いた全固体空気電池も提案されていますが、負極の課題は解決されていません。

最近、負極活物質に酸化還元活性な有機化合物を用いた空気二次電池がいくつか開発されました（Li et al., Chem, 5, 2159-2170, 2019: Oyaizu et al., Chem. Commun., 56, 4055-4058, 2020）が、高分子電解質膜との組み合わせによる全固体空気二次電池はこれまで存在していませんでした。

(2) 今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

有機化合物を用いた電極と固体電解質から成る空気二次電池に挑戦しました。負極活物質としてプロトンを取り込みながら酸化還元活性を示す有機レドックス化合物（ジヒドロキシベンゾキノン^※3およびその重合体）、電解質としてプロトン伝導性高分子薄膜（ナフィオン）、正極として白金触媒を含むガス拡散電極（活物質は酸素）を組み合わせた全固体空気二次電池の可能性を検討し、その結果、原理の実証に成功しました。

(3) 今回、新しく開発した手法

負極活物質であるジヒドロキシベンゾキノンの酸化還元反応を促進し、電解質膜との界面でのプロトン移動を円滑に進めるために、電子伝導性材料（カーボン粉末）とプロトン伝導性高分子（ナフィオン）を混合した負極構造を設計・構築しました。電流電位測定により負極での反応とその可逆性を確認し、充放電、レート特性、サイクル特性を評価しました。さらにジヒドロキシベンゾキノンを高分子化したところ負極活物質の利用率が40％以上向上し、全固体空気二次電池の容量も6倍以上向上することを見出しました。

本研究により開発した「全固体空気二次電池」は繰り返して充放電することができ、一定速度（放電レート15C）における発電で、30サイクル充放電が可能です。

(4) 研究の波及効果や社会的影響

リチウムイオン二次電池の性能や耐久性は日々向上していますが、リチウム資源は限られており、また、液体電解質を用いた課題（漏れ出し、蒸発、発火の危険性、など）は本質的に解決が困難です。本研究で開発した全固体空気二次電池は安全な有機レドックス化合物とプロトン伝導性高分子薄膜を用いており、これら物質はそもそも水分が含まれた状態で用いており水や酸素で電極が劣化することが無く、極めて安全性に優れています。また、高分子化合物の特徴を活かしてフレキシブルなデバイスにできる可能性もあります。今後、構成材料の高性能化・最適化や耐久性などを改善することで、携帯電話や小型電子デバイスなどモバイル機器用電源としての応用が期待されます。

(5) 今後の課題

酸化還元電位がより卑（マイナス）な有機レドックス化合物を用いることにより電池電圧を高くしたり、負極中の活物質を安定化させてレート特性やサイクル特性を改善することで、二次電池としての特性を一層向上させたいと考えています。

(6) 研究者のコメント

空気二次電池は二次電池と燃料電池の利点を兼ね備えた次世代のエネルギーデバイスとして期待されていますが、性能や安全性に関する技術的な課題が多く実用化されている例は限られています。本研究により、有機負極活物質と高分子電解質から成る全固体空気二次電池の開発に成功し、小型軽量化、高容量化、高安全性を兼ね備えた新しいタイプの空気二次電池の可能性を示すことができました。他方、今回の成果はまだ原理実証の段階であり電池電圧やレート特性、サイクル特性は改善の余地がありますので、今後、全固体空気二次電池の実用化に向けた追求を継続していきたいと考えています。

(7)用語解説

※1　空気電池

正極活物質として空気中の酸素を用いる電池。多くの場合、負極には金属が用いられている。電池内部に正極活物質を内蔵する必要が無いため、原理的に大きなエネルギー密度を持つという特徴がある。

※2　プロトン伝導性高分子薄膜

スルホン酸基などの酸性基を含む高分子から成る膜。燃料電池などの電気化学デバイスの固体電解質として用いられている。

※３　ジヒドロキシベンゾキノン

水酸基が2つ置換されたベンゾキノン。酸性条件下で酸化還元活性を示す。

(8) 論文情報

雑誌名：Angewandte Chemie International Edition
論文名：All-Solid-State Rechargeable Air Batteries Using Dihydroxybenzoquinone and Its Polymer as the Negative Electrode
執筆者名（所属機関名）：Makoto Yonenaga （米長 諒）^＊、Yusuke Kaiwa （海和 雄亮）^＊＊、Kouki Oka （岡 弘樹）^＊＊、Kenichi Oyaizu （小柳津 研一）^＊＊、Kenji Miyatake （宮武 健治）^＊、^＊＊
＊山梨大学 クリーンエネルギー研究センター
＊＊早稲田大学 先進理工学部 応用化学科
掲載日時：2023年5月16日（火）
掲載URL：https://doi.org/10.1002/anie.202304366
DOI：10.1002/anie.202304366

(9) 研究助成

研究費名：科学研究費補助金 新学術領域研究「ハイドロジェノミクス」（研究領域提案型）
研究課題名：高速移動水素による次世代創蓄電デバイスの設計
研究代表者名（所属機関名）：宮武 健治（山梨大学）
研究分担者名（所属機関名）：小柳津 研一（早稲田大学）

研究費名：科学研究費補助金 基盤研究（B）
研究課題名：全固体空気二次電池の創製：原理実証と有機負極活物質の検討
研究代表者名（所属機関名）：宮武 健治（山梨大学）

研究費名：データ創出・活用型マテリアル研究開発プロジェクト
研究課題名：再生可能エネルギー最大導入に向けた電気化学材料研究拠点（DX-GEM）
研究代表者名（所属機関名）：宮武 健治（山梨大学）

銀河宇宙線のヘリウム成分を250テラ電子ボルトまで直接観測に成功
30テラ電子ボルト以上でスペクトル軟化の兆候を検出

国際宇宙ステーション・「きぼう」日本実験棟搭載高エネルギー電子・ガンマ線観測装置（CALET）による測定

発表のポイント

国際宇宙ステーション・「きぼう」日本実験棟搭載の宇宙線電子望遠鏡(CALET)が、銀河宇宙線の一つであるヘリウムのエネルギースペクトルを250テラ電子ボルトまで高精度に観測することに成功し、30テラ電子ボルト以上でエネルギー軟化の兆候を検出しました。

陽子とヘリウムは核子当たりのエネルギーで60テラ電子ボルトまで、スペクトルの冪の変化においては同様な構造を持つことがわかりました。

一方で、冪の傾きが陽子とヘリウムでは異なっていることから高エネルギー領域では何か異なる加速・伝播機構がある可能性が生じたため、その理論的な検証が求められています。

早稲田大学理工学術院総合研究所主任研究員 小林兼好（こばやしかずよし）、早稲田大学名誉教授・CALET代表研究者 鳥居祥二（とりいしょうじ）、シエナ大学研究員 Paolo Brogi、と宇宙航空研究開発機構（JAXA）及び国内他機関、イタリア、米国の国際共同研究グループ（以下、本研究グループ）は、国際宇宙ステーション（ISS）・「きぼう」の船外実験プラットフォームに搭載された宇宙線電子望遠鏡（以下、CALET^*1：高エネルギー電子・ガンマ線観測装置）を用いて、銀河宇宙線^*2のヘリウムのエネルギースペクトル^*3を250テラ電子ボルトまで高精度に観測し、30テラ電子ボルト^*4以上の領域でエネルギースペクトル軟化^*5の兆候を観測しました。

本研究成果は、アメリカ物理学会発行の『Physical Review Letters』に、“Direct Measurement of the Cosmic-Ray Helium Spectrum from 40 GeV to 250 TeV with the Calorimetric Electron Telescope on the International Space Station”として、2023年4月27日（木）＜現地時間＞にオンラインで掲載されました。

（１）これまでの研究で分かっていたこと

宇宙線は星の進化の過程で生成された元素が、特にその最終段階で超新星爆発などにより宇宙空間にばら撒かれ、超新星残骸で生成された衝撃波によって加速されると考えられています^*6。しかし、この衝撃波加速やその後の宇宙空間への拡散などについては、まだまだ不明な部分が多く、その解明には宇宙線諸成分のエネルギースペクトルの高精度観測が不可欠です。

宇宙線の生成、加速、伝搬過程は「超新星残骸における衝撃波によって加速され、銀河磁場によって拡散的に伝播して銀河外へ漏れ出す」という”標準モデル”による理解が進められてきました。このモデルでは、地球で観測される宇宙線スペクトルの形状は単調な冪（べき）型のスペクトル^*7が予測されます。しかし、この予測に反する数100ギガ電子ボルトにおけるスペクトルの単一冪からのズレとして、宇宙線の主成分である陽子やいくつかの原子核についてはテラ電子ボルト領域に至る漸次的な「スペクトル硬化^*8」が報告されています。これは”標準モデル”では理解できない結果であり、宇宙線の加速・伝播機構モデルについてパラダイムシフトの必要性を示唆しており、その解釈をめぐって現在活発な研究が繰り広げられています。

「きぼう」で定常観測を継続するCALETはこれまでの実験に比べ、高精度なエネルギースペクトルの直接観測に成功してきました^*9。既に陽子を始め、ホウ素、炭素、酸素でスペクトル硬化を報告しており、スペクトル硬化の高精度観測に注目が集まっています。さらに陽子ではエネルギーのより高い領域で「スペクトル軟化」も観測され、昨年発表しました。

近年の目覚ましい発展により明らかになってきた、エックス線やガンマ線を含む宇宙における高エネルギー放射の最終的な理解には、その源となっている荷電宇宙線の理解が必須となります。これは、電波や赤外・可視光等の電磁波スペクトルが主に、黒体輻射に代表される熱的放射を観測しているのに対し、冪型スペクトルによって特徴づけられる非熱的放射の背景には必ず宇宙線の加速と伝播が隠されているためです。

（２）今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

陽子ではエネルギーの高い領域で新たにスペクトル軟化が観測されましたが、陽子固有の現象なのか、スペクトル硬化のように複数の原子核で共通の現象なのか、陽子の次に重い原子核、ヘリウムにも同様にスペクトル軟化の傾向があるのかが注目されています。2021年にはDAMPE（DArk Matter Particle Explore）^*10実験によりヘリウムのテラ電子ボルト領域に至る漸次的なスペクトル硬化および30テラ電子ボルト付近からスペクトル軟化の兆候が報告されました。そこで今回我々はヘリウムの高精度解析を行い、40ギガ電子ボルトから250テラ電子ボルト^*2と、DAMPE実験が観測した80テラ電子ボルトよりも高いエネルギー領域まで、宇宙線ヘリウムスペクトル^*3、4の高精度直接観測に成功しました。

CALETによって科学観測を開始した2015年10月13日から2022年4月30日までのデータを用いて、測定されたヘリウムのエネルギースペクトルを図1に示しました（赤点）。灰色のバンドはCALETの観測に伴う現時点での系統誤差を含む全誤差です。青色で示したDAMPE実験とは絶対値も誤差の範囲内で一致しています。さらにDAMPE実験が観測した80テラ電子ボルトよりも高い、250テラ電子ボルトまでスペクトル軟化の傾向が続いていることを明らかにしました。

図２では昨年発表した陽子のデータを用い、陽子とヘリウムの比の核子当たりのエネルギースペクトルを示しました（赤点）。先行実験から大幅に誤差を縮小し、傾きが大きく変わることなく核子当たり60テラ電子ボルトを超える領域まで続くことがわかりました。また、図からわかるように、エネルギーの増大とともに陽子に対するヘリウム割合が増えていることがわかります。”標準モデル”からは変化しないことが予測されることから、陽子とヘリウムには高エネルギー領域では何か異なる加速・伝播機構があるということを示唆しており、今後に理論的な検証が必要な課題となっています。

（３）そのために新しく開発した手法

CALET は世界で初めて宇宙機に搭載された宇宙線シャワーを可視化できるカロリメータ型の観測装置です。これまでは磁石を採用したマグネットスペクトロメータ型のPAMELA とAMS-02 が、電荷の正負の判定による反粒子を含む観測に現在成果を挙げていますが、カロリメータ型装置は、電荷の正負の判定ができないものの、よりエネルギーの高いテラ電子ボルト以上まで可能です。CALETはこれまで高精度観測が困難で未開拓な領域であったテラ電子ボルト領域での観測を行い、ヘリウムのスペクトル軟化兆候を得ることができました。

（４）研究の波及効果や社会的影響

本研究グループによる今回の成果は、CALETが昨年発表した宇宙線の主成分である陽子の10テラ電子ボルト以上でのスペクトルの軟化に続き、ヘリウムでもスペクトルの軟化が起こっている兆候を観測しました。陽子とヘリウムは核子当たりのエネルギーで250テラ電子ボルトまで、スペクトルの冪の変化においては同様な構造を持つことがわかりました。スペクトルの軟化が何らかの共通の原因で陽子とヘリウムで起こっており、今後、宇宙線の加速・伝搬機構の議論が活発化することが予想されます。

（５）今後の課題

スペクトル硬化の現象はこれで陽子、ヘリウム、ホウ素、炭素、酸素で観測されました。これまでの宇宙線加速・伝播機構の理論的解釈では、”標準モデル”により説明することが難しく、新たな加速もしくは伝播機構による解明が急がれています。今のところCALETでは酸素より重い原子核である、鉄、ニッケルでは観測されておらず、より高いエネルギー領域でスペクトル硬化が起こるのか、検証を進めてきます。

一方で、陽子、ヘリウムのスペクトル軟化の１つの解釈として、”標準モデル”による超新星残骸における衝撃波加速は、電荷に比例した加速限界を予見します。超新星残骸で達成可能な最高エネルギーは典型的に、陽子で60テラ電子ボルト、ヘリウムで120テラ電子ボルトと見積られています。一方で地上観測実験により3ペタ電子ボルト付近でスペクトル軟化(スペクトルの形状が足の膝に似ているので、ニー：Kneeと呼ばれている。)　が測定されています。これは超新星残骸での衝撃波加速が限界を迎え、宇宙線組成が電荷に比例して軽原子核からより重原子核へシフトすることによる構造と考えられています。地上観測実験では粒子の判別が困難なため、上記の超新星残骸モデルの検証には、陽子、ヘリウムを始めとする原子核の系統的なスペクトル軟化を宇宙空間で計測するCALETによる観測は決定的な役割を果たすことができます。

CALETは今後、さらにデータを蓄積し、また高エネルギー側での系統誤差を減らすことにより、酸素よりも重い重原子核成分の核子あたり10テラ電子ボルト付近でのエネルギー硬化、また核子あたり10テラ電子ボルトを超えるエネルギー領域の陽子・ヘリウムスペクトル軟化を高精度に決定することで、さらなる宇宙線加速、伝搬機構の検証を目指します。

（６）研究者のコメント

本研究で観測しているエネルギー領域の宇宙線は超新星爆発が起因で、地球に届く過程で加速、伝搬が起こり地球にたどり着くため、宇宙線を観測すると宇宙の多くのことがわかります。CALETでの観測で電子、陽子、今回のヘリウムを始めさまざまな原子核でのスペクトルを解明してきました。これからも安定的な観測を続け宇宙の謎を解明していきたいと考えています。

（７）用語解説

１：CALET（高エネルギー電子・ガンマ線観測装置）

2015年8月にISS・「きぼう」に搭載され、同年10月より宇宙線観測を開始した宇宙線電子望遠鏡「CALET」は、日本の宇宙線観測としては初めての本格的な宇宙実験で、すでに７年以上安定的な観測を行っています。高エネルギー電子の高精度観測に最適化されたユニークな装置ですが、確実な電荷決定と広いエネルギー測定範囲により、陽子や原子核成分の観測にも強力な性能を有しています。CALETの主となる検出装置は「カロリメータ」と言い、ここに飛び込んでくる宇宙線を捉えて観測することになります。カロリメータは、図３のように3つの層からできています。

図３の第1の層（CHD）では粒子の電荷を測定し、入射粒子の電荷を測定します。第2の層（IMC）では、主に粒子が飛んできた方向を測定します。そしてもっとも厚みのある第3の層（TASC）で、宇宙線が吸収されて生じる「シャワー」の発達の様子からその宇宙線のエネルギーや種類を特定します。この3つの層から得られる情報を統合することで、その宇宙線についてかなり広範囲に理解することが可能と考えています。特に第三の層の厚さや使われている物質と信号の読み出し方法によって、どれだけ高いエネルギーの粒子まで観測することができるかが決まります。CALETはとりわけこの点においてCALET以前の観測装置に比べて高い性能を保有しています。

2：宇宙線

宇宙空間は、何もないように見えますが、じつはとてもたくさんの粒子が飛んでいます。それらは原子よりもさらに小さい陽子や電子などの粒子で、宇宙空間で手をかざしたら一秒間に100個以上が手にあたるほどたくさん飛んでいます。そのような粒子を宇宙線と言います。宇宙線は約100年前に発見されて以来、常に物理学の最先端テーマでした。宇宙線の研究から、陽電子や中間子の発見など、人類の知識を大きく広げる成果があがっています。宇宙線は、太陽や天の川銀河（地球がある銀河系）など宇宙の様々な場所から飛んできます。特に高いエネルギーをもったものは、私たちが暮らす太陽系の外からはるばるやってきています。

3：スペクトル

本稿ではすべてエネルギースペクトルの意味で用いています。横軸をエネルギー、縦軸を流束とした図をエネルギースペクトルと言います。宇宙線スペクトルは冪形状となっていて、その冪の値は大体 -2.7程度ですので、高いエネルギーになるにつれ急激に流束が減少します。

4：電子ボルト

エネルギーの単位です。1ボルトの電位差を抵抗なしに通過した際に電子が得るエネルギーが1電子ボルトです。ここではその10⁹倍のギガ電子ボルト、10¹²倍のテラ電子ボルト、10¹⁵倍のペタ電子ボルトのエネルギー領域を扱っています。

5：スペクトル軟化

スペクトル硬化とは逆に、冪の絶対値が大きくなる方向のスペクトル変化を表し、エネルギーに対する流束の減少割合が増えていくことを示します。

6：宇宙線加速

高エネルギーの宇宙線がどこからきてどのように加速されたのか（＝高いエネルギーを得たのか）についてのもっとも有力な説明は、「超新星爆発」です。超新星爆発とは、質量の大きな星がその一生の最後に起こす爆発で、そのとき甚大なエネルギーが放出されます。そのエネルギーによって加速されて地球まで飛んできた粒子が高エネルギーの宇宙線だと考えられていますが、加速されるメカニズムの詳細については、まだわからない点が多く残されています。

7: 冪型スペクトル

変数xに対しする分布関数がx^α になる分布を、冪の値がαの冪関数型分布と呼びます。変数をエネルギー(E)にとった場合の流束の分布をエネルギースペクトルと言い、宇宙線スペクトルは冪形状となっていて、E^–γで表されます。冪の値はマイナスでγの値は2.7程度であるので、高いエネルギ―になるにつれ急激に流束が減少します。電波や赤外・可視光等の電磁波スペクトルが主に、黒体輻射に代表される熱的放射を観測しているのに対し、冪型スペクトルによって特徴づけられる非熱的放射の背景には必ず宇宙線の加速と伝播が隠されているためです。

8：スペクトル硬化

冪の絶対値が小さくなる方向のスペクトル変化を表し、エネルギーに対する流束の減少割合が減っていくことを示します。

9：これまでのCALETによる宇宙線諸成分（電子、水素（陽子）、炭素、水素、鉄、ニッケルなど）の観測

• 「宇宙線陽子スペクトルの高精度直接観測に成功」（2022年９月発表）

• 「宇宙線の鉄・ニッケル成分の最高エネルギー領域に至るスペクトルを測定」(2022年4月発表)

• 「宇宙線炭素・酸素のテラ電子ボルト領域に至るスペクトル硬化を検出」（2021年1月発表）

• 「宇宙線の直接観測により、テラ電子ボルト領域に至る漸次的な陽子スペクトル硬化を高精度に検出」（2019年5月発表）

• 「２年間のデータ蓄積により観測領域を拡張。8テラ電子ボルトまでの高精度電子識別に成功」（2018年5月発表）

• 「宇宙からの直接観測で３テラ電子ボルトまでの高精度電子識別に初めて成功」(2017年12月発表）

10: DAMPE

中国科学院が2015年12月に打ち上げた宇宙線観測を目的とした初めての科学観測衛星。

（８）論文情報

雑誌名：Physical Review Letters 130, 171002, (2023)
論文名：Direct Measurement of the Cosmic-Ray Helium Spectrum from 40 GeV to 250 TeV with the Calorimetric Electron Telescope on the International Space Station
執筆者名（所属機関名）：O. Adriani et al. (CALET Collaboration), Corresponding Authors: K. Kobayashi, P. Brogi
掲載日時（現地時間）：2023年4月27日（木）
掲載URL：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.171002#fulltext
DOI：10.1103/PhysRevLett.130.171002

（９）研究助成

研究費名：科学研究費補助金　基盤研究（S）
研究課題名：CALET長期観測による銀河宇宙線の期限解明と暗黒物質探索
研究代表者名（所属機関名）：鳥居祥二（早稲田大学）

低消費電力AIを実現するシリコン光回路を従来比17分の1のサイズにコンパクト化、AIの基本動作の実証に成功

株式会社KDDI総合研究所（本社：埼玉県ふじみ野市、代表取締役所長：中村 元）と学校法人早稲田大学（本部：東京都新宿区、理事長：田中 愛治、責任者：宇髙 勝之 教授）は、AIの低消費電力化と高速化の実現を目指し、従来比で約17分の1の面積の光AIアクセラレーター用シリコン光回路を試作し、時系列データの予測を行うことに成功しました。AIの活用は拡大の一途をたどっており、莫大な数のコンピューターが必要とされています。KDDI総合研究所と早稲田大学はさらなる研究開発を進め、低消費電力、高速な光AIアクセラレーターの実用化に向けた基盤技術の確立を目指していきます。

【背景】

自然な文章を生成するAIを使ったチャットボットが公開され、世界中の注目を集めています。このような最先端を走るAIを動作させるためには莫大な数のコンピューターが必要であり、消費電力の削減や処理の高速化が課題となっています。一般に用いられるAIは電子回路上で動作していますが、一部の演算を光回路に置き換える光AIアクセラレーターは、消費電力の削減に有効で、かつ学習や推論の高速化が可能なことから、研究開発が盛んになっています。

中でもシリコン上に形成した光回路は、電子回路や他の光素子との集積化が容易な上、小型化できると期待されています。一方で光アクセラレーターを実用化するには、大規模に集積しやすくする必要があり、より一層の小型化が求められています。

【今回の成果】

KDDI総合研究所と早稲田大学は、従来比で約17分の1の面積の光AIアクセラレーター用シリコン光回路を試作し、時系列データの予測を行うことに成功しました。シリコン上に光回路（面積：0.25mm×0.92mm）を試作し、性能比較のため標準的に用いられているタスクであるSanta Fe波形（注１）の予測をさせたところ、正解データと予測データの誤差が非常に小さく、その構造の有効性を示すことができました。

【回路面積縮小の工夫】

これまで研究されてきたシリコン上に形成した光回路では、AIのモデルの一つであるリザバーコンピューティング（注2）を動作させるために、現在の情報と過去の情報を混ぜ合わせる必要があり、以下のいずれかの構造を採用していました。

1. 信号をネットワーク状に形成された光回路で何度も混ぜ合わせる構造

現在の情報と過去の情報が効果的に混ざるようなタイミングとするためにネットワークの節間の距離を確保する必要があり、素子面積が広くなる（16mm²）。ニューロン数（神経細胞数）を増やすとさらなる面積が必要。

2. 長い渦巻き状マルチモード光導波路構造

進む速度が異なる光波が多数存在できるマルチモード光導波路の性質を利用して現在の情報と過去の情報とを混ぜ合わせるために長い（4cm程度）光導波路が必要とされる。渦巻き状に収容しても2mm ×2mm 程度の面積が必要。

今回の試作では、構造２に比べて導波路幅を２倍広くし、さらには蛇行状の導波路構造を採用して長さを調整することにより、短い導波路長でゆっくりと進む光波（高次モード）を多数発生させ、さらには信号の高速化することで現在の情報と過去の情報が十分に混ざり合うように設計しました。

なお、今回の成果は米国サンノゼで開催される光エレクトロニクス関連の総合的な国際学術会議CLEO2023（The Conference on Lasers and Electro-Optics)において採択され、2023年５月８日（現地時間）に発表します。

【今後の展望】

光AIアクセラレーターがさまざまなシーンで利用されるように、光回路の構造探索や規模拡大を進め、GPUベースのAIアクセラレーターに比べて10分の1の低消費電力、かつ高速な光AIチップの基盤技術の確立を目指します。

■ KDDI総合研究所の取り組み

KDDI総合研究所は、2030年を見据えた次世代社会構想「KDDI Accelerate 5.0」を策定し、その具体化に向け、イノベーションを生むためのエコシステムの醸成に必要と考えられる「将来像」と「テクノロジー」の両面についてBeyond 5G/6Gホワイトペーパーにまとめました。新たなライフスタイルの実現を目指し、7つのテクノロジーと、それらが密接に連携するオーケストレーション技術の研究開発を推進します。今回の成果は7つのテクノロジーの中の「ネットワーク」に該当します。

■ 早稲田大学の取り組み

早稲田大学では、現在全学でカーボンニュートラル社会を目指した研究教育体制の構築に取り組んでいます。その中で、一層進展する高度情報化社会のための低消費電力大容量ネットワーク技術と並んでAIなどの高度情報処理技術の高速化・低消費電力化が不可欠と考えており、シリコンフォトニクス集積回路（SiPIC: Si Photonic Integrated Circuits）を用いた光信号処理デバイス技術の検討と実証を目指しています。

（注1）1992年に米国のSanta Feで開催された時系列予測コンテストにおいて使用された時系列データで、不安定なレーザーから出力されたパワー変動を記録したもので、予測性能を評価するときに標準的に用いられるデータの一つ。

（注２）時系列データの予測に主に適用される機械学習の手法の一つで、入力層、リザバー層（ランダムにニューロンが接続された層）、出力層からなる構造を有する。学習により出力層の結合の重みだけを変える単純さが特徴で、それにより高速な学習が可能となる。

世界初　物質中のアルファ線飛跡のリアルタイム画像化に成功

アルファ線内用療法など、様々な研究分野への応用に期待

発表のポイント

• 世界で初めて物質中のアルファ線の飛跡をリアルタイムで画像化することに成功
• 新しい高分解能放射線イメージング検出器の開発により実現
• アルファ線内用療法^＊1など、今後様々な研究分野への応用に期待

早稲田大学理工学術院の山本 誠一（やまもと せいいち）上級研究員（研究科教授）および片岡 淳（かたおか じゅん）教授らのERATO片岡X線ガンマ線イメージングプロジェクト（研究総括：片岡 淳教授）は、東北大学未来科学技術共同研究センターの吉野 将生（よしの まさお）准教授、鎌田 圭（かまだ けい）准教授、吉川 彰（よしかわ あきら）教授、矢島 隆雅（やじま りゅうが）大学院生、名古屋大学大学院医学系研究科総合保健学専攻の中西 恒平（なかにし こうへい）助教と共同で、高分解能放射線イメージング検出器を開発し、放射線の一種であるアルファ線が物質中を飛んでいる様子（飛跡）を短時間間隔の連続画像（リアルタイム画像）として可視化することに成功しました。アルファ線は、物質中では数十マイクロメートル程度と極めて短い距離しか飛ばないことから、アルファ線の物質中の飛跡をリアルタイムで観察することは、これまで不可能と考えられていました。今回、研究チームが新しいイメージング検出器を開発し、世界で初めてイメージングを可能にしたことで、今後、アルファ線を用いた放射線治療^＊2など、様々な科学分野への応用が期待されます。

本研究成果は、2023年4月26日（水）午前10時（英国時間・夏時間）にネイチャー・パブリッシング・グループのオンライン総合科学誌『Scientific Reports』で公開されました。

論文名：Development of an ultrahigh resolution real time alpha particle imaging system for observing the trajectories of alpha particles in a scintillator
DOI：10.1038/s41598-023-31748-9

(1)これまでの研究で分かっていたこと

アルファ線はX線やガンマ線などの放射線の一種で、最近では放射線治療の分野で注目されています。アルファ線は、物質中で飛んでから止まるまでの距離が数十マイクロメートルと極めて短い上に、放射線のエネルギーが高く、短い距離で大きなエネルギーを与えるので、細胞などが受けるダメージが大きいと考えられています。一方で、この性質を放射線治療に利用して、アルファ線を放出する核種をがん患者に投与して治療するアルファ線内用療法の研究も進んでいます。

アルファ線が放出される場所を短時間で特定し、飛ぶ範囲を確認するためには、アルファ線が物質中を線状に飛んでいる様子（飛跡）を観察する必要がありました。しかし、短時間間隔の連続画像（リアルタイム画像）で観察する技術は、これまで存在しませんでした。

(2)今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

今回の研究では、新しいイメージング検出器の開発により、アルファ線が実際に物質中を飛ぶ様子をリアルタイムで画像化することに成功しました。

(3)そのために新しく開発した手法

開発したアルファ線飛跡イメージング装置では、図1のように、放射線が当たって光を放出する透明な材料（シンチレータ^＊3）にアルファ線を当てます。これまで、アルファ線がシンチレータに入射しても飛跡が短く発光も微弱なため、この発光から線状の飛跡を明瞭に画像化することは困難と考えられていました。今回、アルファ線の飛跡画像化に適したシンチレータを開発し、これに超高感度カメラと超高倍率の画像拡大装置を組み合わせ、アルファ線がシンチレータ中を飛んだときに発生する短い飛跡の微弱な発光を、細長い鮮明な線状の画像として得ることに成功しました。

その結果、図2のようにシンチレータ中のアルファ線の飛跡を、一秒以下の明瞭な連続画像として得ることに成功し、動画として観察できるようになりました。

(4)研究の波及効果や社会的影響

開発した装置を用いると、粒子状のアルファ線放出核種からは、放射状に放出されるアルファ線画像が得られるものと期待されます。またアルファ線内用療法の細胞研究に応用すれば、腫瘍細胞などに取り込まれた核種から放出されるアルファ線の飛跡が画像化できる可能性もあります。

さらには、アルファ線の物質中の飛跡を、短時間の連続画像として画像化できるようになったことにより、高エネルギー物理実験分野などにも応用される可能性があります。今回のアルファ線飛跡の画像や動画は、霧箱^＊4のように一般の方にもイメージしやすく、放射線に関する科学教育などへの利用も期待できます。

(5)今後の課題

今回得られた画像におけるアルファ線飛跡はいろいろな形状をしていますが、これはシンチレータへのアルファ線の入射角度が異なるためです。形状の違いを利用して、アルファ線がシンチレータに入射した角度が計算できるので、アルファ線飛跡の三次元分布評価も可能と考えています。またアルファ線画像の明るさから入射したアルファ線のエネルギーを求めることもできます。

一方で、本研究グループは、今回実験に用いたシンチレータの表面状態の改良を進めています。表面状態が悪いと光の散乱が起こり、画質が低下します。表面を滑らかにすることで、より鮮明にアルファ線の飛跡が見えるようになり、画像をさらに拡大することによって、今以上に細かいアルファ線飛跡構造を観察できる可能性があると考えています。

(6)研究者のコメント

私たちはこれまで、長年に渡り、アルファ線が飛ぶところを光学的にリアルタイムで画像化できないかと考えていました。今回、シンチレータ中を飛ぶアルファ線を一秒以下の短時間間隔で画像化できるようになり、ようやく夢が実現しました。今後も次なる夢の実現に向けて、世界初の画期的な放射線検出器を開発し続けたいと考えています。

(7)用語解説

＊1　アルファ線内用療法
アルファ線を放出する放射性物質を患者に投与して、がんを治療する方法

＊2　放射線治療
がん患者を、放射線を用いて治療する方法。放射線の種類としては、X線やガンマ線、粒子線などが良く使われるが、最近はアルファ線を放出する放射性物質を患者に投与する治療方法の研究が進んでいる。

＊3　シンチレータ
放射線が当たることにより発光する物質。放射線の検出や画像化するときに用いられる。

＊4　霧箱
荷電粒子による電離により、気体中に分散している微粒子が集まり大きな粒子をつくる現象（凝結作用）を用いて荷電粒子の飛跡を検出する装置

(8)論文情報

雑誌名：Scientific Reports
論文名：Development of an ultrahigh-resolution, real-time alpha-particle imaging system for observing the trajectories of alpha particles in a scintillator
執筆者名：Seiichi Yamamoto¹、Masao Yoshino²、Kei Kamada²、Ryuga Yajima²、Akira Yoshikawa²、Kohei Nakanishi³、Jun Kataoka¹
1．早稲田大学　理工学術院
山本 誠一（論文責任著者）、片岡 淳
2．東北大学　未来科学技術共同研究センター
吉野 将生、鎌田 圭、吉川 彰、矢島 隆雅
3．名古屋大学　大学院医学系研究科総合保健学専攻
中西 恒平
掲載日時（英国時間・夏時間）：2023年4月26日（水）午前10時
DOI：10.1038/s41598-023-31748-9

(9)研究助成

本研究は、戦略的創造推進事業 ERATO「片岡ラインX線ガンマ線イメージング」（R3～8年度；グラント番号 JPMJER2102）、科学研究費補助金基盤研究（B）「チェレンコフ光閾値以下のエネルギーの放射線照射による水の発光現象の医療応用」（R4～8年度；グラント番号22H03019）、および科学研究費補助金基盤研究（A）「マイクロ共晶体構造を応用した量子線弁別型超高解像度イメージング装置の開発」（R1～5年度；グラント番号19H00672）の支援を得て実施したものです。

2023年4月1日より本学に着任した理工学術院 先進理工学部 電気・情報生命工学科の水内良 専任講師らの論文が、2022年にNature Communications誌に掲載された生命・生物科学分野の論文のうち、もっともダウンロードされた25報である「Top 25 Life and Biological Sciences Articles of 2022」に選ばれました。生命・生物科学分野（Life and Biological Sciences）は、Nature Communications誌が設定した7つの分野：Health Sciences、SARS-CoV-2、Life and Biological Sciences、Social Sciences and Human Behaviour、Chemistry and Materials Sciences、Earth, Environmental, and Planetary Sciences、Physicsのうちのひとつになります。

選出された論文について

【表題】Evolutionary transition from a single RNA replicator to a multiple replicator network

【著者】Ryo Mizuuchi, Taro Furubayashi and Norikazu Ichihashi

【誌名・巻号等】Nature communications, 13(1), 1460 (2022)

水内講師は「原始地球において生命がどのように生まれたか」という、生命の起源をひもとく研究、特に、RNAなどの単純な生体分子から複雑な生命システムが生まれる道筋について、その解明に取り組んでいます。理論的には、このような進化の複雑化は、新しい複製因子が次々と登場し、互いに影響しあって複製ネットワークを形成することで起こりえると考えられていますが、その実証は困難でした。

本論文では、単純化したRNA複製システムを試験管内に構築し長期的に進化実験を繰り返すことで、複製→複製エラーによる突然変異と新たな形質の獲得→特定の変異と形質を持つ複製体の増加による進化を観察しました。その結果、突然変異により複製酵素の遺伝子が壊れた「寄生体RNA」が出現すること、またそれらの寄生体RNAが正常な宿主RNAの複製を一部阻害するものの、継代サイクルを240回転しRNAが約600世代の進化を経た後には、宿主と寄生体が共存した5種類のRNAに分岐して安定し、互いに複雑な複製ネットワークを形成することを明らかにしました。

今後さらに、これら複製システムが置かれる場＝進化が起こる環境（区画構造）を工夫することで、どのような環境で進化が促進されるか、あるいはより長いRNA構造の獲得につながるか等の検討を進めることができると考えられます。

Novel, Highly Sensitive Biosensor Set to Transform Wearable Health Monitoring

Researchers from Japan have developed a new wearable biosensor that can detect extremely small changes in tear glucose and blood lactate levels

Wearable wireless biosensors are an integral part of digital healthcare and monitoring. Commonly used chipless resonant antenna-based biosensors are simple and affordable, but have limited applicability due to their low sensitivity. Now, researchers from Japan have developed a novel, wireless, parity–time symmetry-based bioresonator that can detect minute concentrations of tear glucose and blood lactate. This highly sensitive, tunable, and robust bioresonator has the potential to revolutionize personalized health monitoring and digitized healthcare systems.

Researchers have developed a novel, wireless, PT-symmetric wearable resonator that can detect tear glucose and blood lactate levels in the micromolar range. The resonator is composed of an inductance–capacitance–resistance (LCR) reader and an LCR sensor with an enzyme-based chemiresistor. The setup has a high quality (Q) factor, making it highly sensitive.

Wireless wearable biosensors have been a game changer in personalized health monitoring and healthcare digitization because they can efficiently detect, record, and monitor medically significant biological signals. Chipless resonant antennae are highly promising components of wearable biosensors, as they are affordable and tractable. However, their practical applications are limited by low sensitivity (inability to detect small biological signals) caused by low quality (Q) factor of the system.

To overcome this hurdle, researchers led by Professor Takeo Miyake from Waseda University, Professor Yin Sijie from Beijing Institute of Technology, and Taiki Takamatsu from Japan Aerospace Exploration Agency, have developed a wireless bioresonator using “parity–time (PT) symmetry” that can detect minute biological signals. Their work has been published in Advanced Materials Technologies.

In this study, the researchers designed a bioresonator consisting of a magnetically coupled reader and sensor with high Q factor, and thus, increased sensitivity to biochemical changes. The reader and sensor both comprise an inductor (L) and capacitor (C) that are parallel-connected to a resistor (R). In the sensor, the resistor is a chemical sensor called a “chemiresistor” that converts biochemical signals into changes in resistance. The chemiresistor contains an enzymatic electrode with an immobilized enzyme. Minute biochemical changes at the enzymatic electrode (in response to changes in the levels of biomolecules such as blood sugar or lactate) are thus converted into electrical signals by the sensor, and then amplified at the reader.

Explaining the technical concept behind their novel biosensor, Miyake says, “We modeled the characteristics of the PT-symmetric wireless sensing system by using an eigenvalue solution and input impedance, and experimentally demonstrated the sensitivity enhancement at/near the exceptional point by using parallel inductance–capacitance–resistance (LCR) resonators. The developed amplitude modulation-based PT-symmetric bioresonator can detect small biological signals that have been difficult to measure wirelessly until now. Moreover, our PT-symmetric system provides two types of readout modes: threshold-based switching and enhanced linear detection. Different readout modes can be used for different sensing ranges.”

The researchers tested the system (here containing a glucose-specific enzyme) on human tear fluids and found that it could detect glucose concentrations ranging from 0.1 to 0.6 mM. They also tested it with a lactate-specific enzyme and commercially available human skin and found that it could measure lactate levels in the range of 0.0 to 4.0 mM through human skin tissue, without any loss of sensitivity. This result further indicates that the biosensor can be used as an implantable device. Compared to a conventional chipless resonant antenna-based system, the PT-symmetric system achieved a 2000-fold higher sensitivity in linear and a 78% relative change in threshold-based detection respectively.

Sharing his vision for the future, Miyake concludes, “The present telemetry system is robust and tunable. It can enhance the sensitivity of sensors to small biological signals. We envision that this technology can be used for developing smart contact lenses to detect tear glucose and/or implantable medical devices to detect lactate for efficient monitoring of diabetes and blood poisoning.”

This novel PT-symmetric wireless wearable bioresonator may soon usher in a new era of personalized health monitoring and efficient digitized healthcare systems!

Reference

Title of original paper: Wearable, Implantable, Parity-Time Symmetric Bioresonators for Extremely Small Biological Signal Monitoring
DOI: 10.1002/admt.202201704
Journal: Advanced Materials Technologies
Article Publication Date: 08 April 2023
Authors: Taiki Takamatsu¹, Yin Sijie¹, Takeo Miyake^1,2
Affiliations:
¹ Faculty of Science and Engineering, Graduate School of Information, Production and Systems, Waseda University, Japan
² PRESTO, Japan Science and Technology Agency, Japan

早稲田大学材料技術研究所　計算材料科学連続セミナー（構造材料第2シリーズ）2023年5月～2023年7月　オンライン開催

主催：早稲田大学 各務記念材料技術研究所／環境整合材料基盤技術共同研究拠点

材料科学研究における計算の重要性は近年ますます高まっています。時間とお金をかけた実験でなくても、計算によってある程度の精度で材料特性の予測が可能になりつつあること、また実験で得られるデータ量が膨大となり、シミュレーションを含めた数値解析が必須となっていること、などが理由です。

早稲田大学材料技術研究所はこれまでに、学外者向けの材料科学のセミナー（オープンセミナー、教育プログラム）を定期的に開催してきた実績があります。こうした経験を生かし、2021年度から、文部科学省の共同利用・共同研究拠点として計算材料科学連続セミナーを実施しております。

本セミナーでは、構造材料をターゲットにしたミクロからマクロにわたる幅広いスケールでの有限要素シミュレーションに関する基礎と応用について、セミナーを実施いたします。具体的には、有限要素法のプログラムの基礎となっている理論的背景から、金属加工のための非線形解析、性能を最大限に発現させるトポロジー最適化、複合材料の均質化法に基づくマルチスケールシミュレーション手法について適用事例を交えながら4名の先生に解説頂きます。

（2023年度後期は「化学材料」の第2シリーズが開催される予定です。）

1.日時

計算材料科学連続セミナーの構造材料第2シリーズは、4回に分けて開催いたします。
各回の開催日時、講演タイトル、および講師（敬称略）は以下の通りです。

第1回
5/12（金）10:00-16:00　※12:00‐13:00 昼休憩
「有限要素法の基礎と複合材料への応用」
末益 博志（上智大学名誉教授）

第2回
6/1（木）13:00-15:30、6/2（金）13:00‐15:30　※計300分
「金属材料加工のための非線形有限要素シミュレーション」
浜 孝之（京都大学 エネルギー科学研究科 エネルギー応用科学専攻 資源エネルギー学講座 教授）

第3回
6/13（火）10:00-16:00　※12:00‐13:00 昼休憩
「トポロジー最適化の基礎と積層造形及び複合材料開発での活用について」
竹澤 晃弘（早稲田大学 理工学術院 基幹理工学部 機械科学・航空宇宙学科 教授）

第4回
7/3（月）13:00-15:30、7/4（火）13:00‐15:30　※計300分
「均質化法／有限要素法に基づく先進構造材料のマルチスケールシミュレーション」
松田 哲也（筑波大学 理工情報生命学術院 システム情報工学研究群 構造エネルギー工学 准教授）

2.開催方法

オンライン（Zoomミーティング利用）

3.セミナー内容の詳細

講演タイトル 日時	講師（敬称略）	講演内容
第1回 「有限要素法の基礎と複合材料への応用」 5/12(金) 10:00-16:00 ※12:00‐13:00 昼休憩	末益 博志	近年構造・材料設計に有限要素法が広く利用されている。有限要素法で正しい解が導かれるには、数学理論に基づいて膨大なプログラムが構築されているからであり、また数学的に保証されているので新規な手法の導入が可能になった。本セミナーではこのプログラムの基礎になっている変分原理とのかかわりを解説する。本セミナーの後半では有限要素法が複合材料の構造問題にどのように使われているのかを概説し、複合材料の問題の理解と有限要素法の効用に関して解説する。
第2回 「金属材料加工のための非線形有限要素シミュレーション」 6/1(木) 13:00-15:30 6/2(金) 13:00‐15:30 ※計300分	浜 孝之	自動車をはじめとする輸送機器では、軽量化に資する素材と加工プロセスの適用拡大が喫緊の課題であり、シミュレーションを用いた工程設計支援が不可欠となっている。本講義では、金属材料加工のための有限要素シミュレーションについてその基礎的な考え方を概説する。また、昨今注目されている結晶塑性モデル（結晶粒レベルの微視変形に基づき巨視的変形を予測するマルチスケール解析手法）についても、その基礎と適用事例を紹介する。
第3回 「トポロジー最適化の基礎と積層造形及び複合材料開発での活用について」 6/13(火) 10:00-16:00 ※12:00‐13:00 昼休憩	竹澤 晃弘	近年、積層造形技術が著しく発展し、ものづくりでの活用法が活発に検討されている。従来の製造法では難しい複雑な形状でも製造できることから、性能と見栄えの良い構造を創出する手段として、構造最適化、特にトポロジー最適化が関連技術として注目を集めている。本講義では、このトポロジー最適化の基礎について解説するとともに、積層造形品及び複合材料の設計に活用した例を紹介する。
第4回 「均質化法／有限要素法に基づく先進構造材料のマルチスケールシミュレーション」 7/3(月) 13:00-15:30 7/4(火) 13:00‐15:30 ※計300分	松田 哲也	複合材料等の先進構造材料は、μmオーダーのミクロ構造から、mmオーダーのメゾ構造、さらにはmオーダーのマクロ構造まで、多階層的なマルチスケール構造を有しており、その特性解析・構造解析にはマルチスケールシミュレーションが有用である。本セミナーでは、均質化法／有限要素法を用いたマルチスケールシミュレーション手法について解説するとともに、複合材料等への適用事例を紹介する。

4.受講修了証の発行

以下の要件を満たした方には「受講修了証」を発行いたします。
・第1回から第4回まですべての回を受講すること。
・第4回受講終了後、所定のアンケートに回答すること。

5.申込手続き

参加費：無料

申込フォーム：こちらのページから

4回全部に参加しても、個別の回に参加しても、どちらでも結構です。
受付期間は各回の日程の1週間前の17:00までです。※第1回のみ5/8（月）17:00締切

6.お問い合わせ

早稲田大学 各務記念材料技術研究所　 [email protected]

早稲田大学各務記念材料技術研究所
〒169-0051 東京都新宿区西早稲田2-8-26
TEL 03-3203-5166　FAX 03-5286-3771

エネルギー材料科学者
花田 信子（はなだ のぶこ）／理工学術院 専任講師

水素貯蔵材料で持続可能なエネルギー社会の実現へ

2023年現在、地球温暖化の原因と考えられている温室効果ガス削減に向け、「カーボンニュートラル」が世界的潮流となっています。カーボンニュートラル実現に向けた方策のひとつに挙げられるのが、水素の利用です。再生可能エネルギーを利用して水素を製造し、燃料電池等を用いて電気や熱エネルギーを取り出す。その反応過程において、二酸化炭素は発生しません。第19回（令和四年度）日本学術振興会賞を受賞した先進理工学部の花田信子 専任講師は、水素を利用しやすくするための水素吸蔵・放出材料やその工業化プロセスを研究しています。研究テーマを選んだきっかけや、取り組みについて伺いました。（取材日：2023年2月9日）

専門を決めたのは、大学1年生のときの授業

高校生の頃から、じっくりと考え、解くことで答えを導き出すことができる物理や数学が好きでした。大学受験に至っても、物理も数学も好きなままで、最後までどちらにも決めきれなかったため、入学後に専門を決められる大学を選びました。専門を決める契機は、いざ入学し、さてどうしようか、と思いながら何気なく履修した教養の授業。燃料電池の実用化に向けた水素吸蔵の話を聞き、物理に進んだら学問を社会に活かすためのモノづくりができるのではないかと、興味をもちました。卒業研究配属で、水素吸蔵の講義をしていた先生の研究室に入り、現在に至るまで、水素吸蔵をキーワードに未来のエネルギー問題について考え、試行錯誤する日々を送っています。

室温で動作する高容量の水素吸蔵合金

卒業研究では、水素吸蔵材料であるマグネシウム（Mg）合金について、混合条件の最適化を研究することにしました。学会発表等の経験を積んで研究が楽しくなり進んだ大学院では、材料を水素化マグネシウム（MgH₂）に絞り、その特性を向上させる研究を進めました。

MgH₂は、重量あたりの水素吸蔵量は大きいものの、表面活性が低く水素吸蔵・放出反応速度が遅いことが欠点で、特性向上のために触媒を添加する必要がありました。当初は、触媒材料として鉄やコバルト、ニッケル等の金属ナノ粒子を用い、短時間のボールミリング法でMgH₂と合成する手法を研究していました。良い成果をまとめられたので、さらに良い材料がないかと検討していたところ、金属酸化物でも触媒機能が発現するという報告を読み、Nb₂O₅を試してみることにしました。従来はボールミリングの時間を短縮できることをメリットと考えていましたが、Nb₂O₅については、長時間行った場合にのみ十分な触媒特性が得られる、という結果になりました。なぜ長時間必要なのかと、化学状態や分布状態を丁寧に評価してみたところ、Nb₂O₅がMgH₂によって還元されてNbO等になり、それがMgH₂表面にナノレベルで均一に分散されて、触媒機能を発現していることが分かりました。さらに、水素放出特性については、これまで400度程度に温度を上げる必要があったところ230度まで上げれば動作し、水素吸蔵特性では、通常300度前後で動作させるところ、室温での動作確認ができたのです。反応速度も十分であり、これだ、という結果が得られた瞬間でした。

実用化に向けて

博士号取得後は、扱う材料を少しずつ変えたり、より大容量の水素を得るために液体アンモニア（NH₃）の電気分解に挑戦したり、さらには水素精製・貯蔵システム設計運用に取り組んでみたりしながら、評価・分析技術を磨いていきました。

早稲田大学には2017年に着任し、現在は、アンモニアや水素吸蔵合金を中心に実用化に向けたプロセスの改善を進めています。また、Mgの研究を再開するに至りました。そのひとつとして、ボールミリング法以外で同等の性能が出せる触媒添加Mgを作製する手法を探索しています。最終的に目指す姿・性能は見えていますので、そこに近づけるための要件をひとつずつ探しているところです。

また、もう一つのプロセス改善方針として、スケールアップのための水素貯蔵タンクの研究も進めています。大学の実験室では1g程の分量で試料を作り各種計測・分析を行っていますが、工業的には100kgやトン単位での製造が必要になります。1gのMgH₂の粉であれば気になりませんが、100kgとなると、反応の過程での発熱・吸熱反応も無視できず、一定温度にするために、熱を取り除いたり加えたりする必要があります。また、MgH₂は水素吸蔵・放出の過程で膨らんだり縮んだりしますが、くり返しにより試料がボロボロに割れて微粉化する現象が起こります。試料を入れたタンクの中で微粉化した粉が隙間を埋めて詰まり、ガチガチに固まってしまう結果、水素吸蔵・放出特性が落ちたり、タンクが割れてしまったりするという問題が起こります。この改善のため、溶液中でカーボンナノチューブとMgH₂を混合してろ過し、乾燥させて薄いシート状にした試料を用いる手法を開発しています。

カーボンナノチューブは、直径が数ナノメートル、長さが数マイクロメートルの細長いチューブ状の材料で、MgH₂はこのチューブの束の間でうまくからめとられるようにして固定されます。MgH₂粒子は数マイクロメートルオーダーと、カーボンナノチューブと比べると大きいため、水素吸蔵・放出により割れて微粉化しても、カーボンナノチューブの束にからめとられたまま、動いたり落ちたりしないことが確認できています。さらに、タンクの中に入れたシート状試料に温度調節した水素ガスを直接送り込むことで、効率よく温めたり冷やしたりすることが可能となります。従来はタンクの外側からヒーター等で温度調節していたのですが、タンク自体を温めたり冷やしたりすることになるため効率が悪かったのです。また、水素ガスを用いることで、ガスとしての不純物も混ざらない、というメリットもあります。

学生ひとりひとりの個性に寄り添いながら

早稲田大学は私立大学でありながら、研究のレベルが高く、その一端を担っている学生の能力も高いです。学生同士での議論も活発で、その中から生まれる面白いアイデアが研究の幅を広げてくれます。学生自身が主体的に自分で課題を考え、解決する方法を考えられるように導くことができれば、教育者冥利に尽きますね。その方法は、学生ひとりひとり異なっており、個性に寄り添いながら、見つけていきたいと思っています。また、様々な計測機器を有する物性計測センターも研究を進める上での大きな力になっています。センター技術職員の中には、博士号を持っている方もいて、ある程度研究を理解して対応してくださるので、非常に助かっています。学生が機器を使う際にも、たくさんのアドバイスをしてくださいます。
このような良い環境に身を置けていますので、全力で社会の役に立つ研究を進めていきたいと思っています。

プロフィール

花田 信子（はなだ のぶこ）
広島大学大学院先端物質科学研究科量子物質科学専攻博士課程修了、博士（学術）取得。広島大学自然科学研究支援開発センター 産学連携研究員、ドイツ・カールスルーエ研究所ナノテクノロジー研究所 客員研究員、上智大学理工学部機能創造理工学科 研究プロジェクトポストドクター、筑波大学大学院システム情報工学研究科構造エネルギー工学専攻 助教を経て、2017年から早稲田大学先進理工学部応用化学科 講師、2021年から現職。専門は機能材料工学、プロセスシステム工学。第19回（令和4（2022）年度）日本学術振興会賞受賞。

代表論文

• Natsuho Akagi, Keisuke Hori, Hisashi Sugime, Suguru Noda, Nobuko Hanada, “Systematic investigation of anode catalysts for liquid ammonia electrolysis”, Journal of Catalysis, 406 (2022) 222-230.
• Kosuke Kajiwara, Hisashi Sugime, Suguru Noda, Nobuko Hanada, “Fast and stable hydrogen storage in the porous composite of MgH₂with Nb₂O₅ catalyst and carbon nanotube”, Journal of Alloys and Compounds, 893 (2022) 162206.
• Keisuke Yoshida, Kosuke Kajiwara, Hisashi Sugime, Suguru Noda, Nobuko Hanada, “Numerical simulation of heat supply and hydrogen desorption by hydrogen flow to porous MgH₂sheet”, Chemical Engineering Journal, 421 (2021) 129648.
• Nobuko Hanada, Yusuke Kohase, Keisuke Hori, Hisashi Sugime, Suguru Noda , “Electrolysis of ammonia in aqueous solution by platinum nanoparticles supported on carbon nanotube film electrode”, Electrochimica Acta, 341 (2020) 135027.

コンタクトレンズにも搭載可能な感度2000倍に改善できる新しい原理の無線回路計測に成功

糖尿病網膜症や敗血症を無線で測るシステム開発へ

発表のポイント

• スマートコンタクトレンズ等にも搭載可能な、新しい原理の回線回路（パリティ時間（PT）対称性共振結合回路（並列接続））を実現した。
• 涙中糖度（0.1-0.6 mM）を無線で計測することに成功し、皮膚を介して血中乳酸を（0.0–4.0 mM）無線で計測することに成功した。
• 本成果は、糖尿病網膜症や敗血症を無線で測るシステムの開発につながると期待される。

概要

早稲田大学大学院情報生産システム研究科の高松 泰輝（たかまつ たいき）助手、三宅 丈雄（みやけ たけお）教授の研究グループは、新しい原理の無線回路（パリティ時間（PT）対称性共振結合回路（並列接続））を開発し、センサ感度が2000倍に改善することを確かめました。本システムは、検出器側に負性抵抗を搭載することで効果を得るため、従来型センサ回路をそのまま利用できる特徴を有しています。本技術によって、これまで計測が困難であった涙中糖度（0.1 – 0.6 mM）の無線計測を実現しました。すなわち、健常者（平均値0.16±0.03 mM, 0.1-0.3 mM）と糖尿病患者（（平均値0.35±0.04 mM, 0.15-0.6 mM）を数値で評価することが可能であり、世界で失明原因第１位の糖尿病網膜症の治療効果や予防に貢献し得るものとして期待されます。さらに、皮膚を介した血中乳酸の計測も本計測システムで実現したため、2.0mM以上で致死率が増加する敗血症のモニタリングへの応用も期待されます。

本研究成果は、国立研究開発法人日本医療研究開発機構（AMED）、研究成果展開事業大学発新産業創出プログラム（START）大学・エコシステム推進型大学推進型、東電記念財団、カシオ科学振興財団、キヤノン財団の助成によって実施されたものであり、「Advanced Materials Technologies」に4月8日（土）にオンライン版で公開されました。

（１）これまでの研究で分かっていたこと

コンタクトレンズは、屈折異常を矯正して視力を補強するウェアラブルな高度医療機器としての利用が一般的でしたが、近年、これらレンズと電子デバイスを組み合わせた「スマートコンタクトレンズ」の開発が盛んです。その使途用途は、主に①視覚拡張機器、②生体情報計測機器、③疾病治療機器に大別され、これら新市場に向けた材料･デバイス･システム開発が進んでいます（図１）。これまでに、米国やスイス等の新興企業から幾つかのプロトタイプ（スマートコンタクトレンズ）が開発されてきました。しかし実用化が進まない主な要因は、無線システムの設計にあり、この仕様をどうするかによって性能（センサ機能、検出方式および消費電力）と価格（センサレンズ、無線計測器、レンズ素材）が大きく異なるためです。

図１：スマートコンタクトレンズにおける新産業創出

このような背景の中、三宅研究グループは、量子効果を取り入れたパリティ・時間（PT）対称性共振結合回路（Gain-Loss結合回路、並列接続）を新たに開発することで共振結合系の高Q値化^※１を実現し、共振回路型バイオセンサ（化学抵抗器：数百 Ω）における微弱な抵抗変化（数Ω，これまでは計測が困難な信号）を増幅しながら測る無線計測システムを開発しました。例えば、涙に含まれる糖度（グルコース）を計測する場合、計測対象は微弱な信号変化（0.1～0.6 mM）となるため、既存技術（Loss-Loss 結合回路）における読み取りでは、グルコース濃度に伴う共振特性の変化率（感度）を読み取ることが極めて難しいものでした。一方、Gain-Loss 結合回路を用いた場合、結合系のQ値を理想的に高くすることができるため、高感度な無線計測が実現可能です。しかしながら、既存技術の回路系（直接接続）では、センサ側に溶液抵抗を含む高抵抗な糖度センサ（化学抵抗器(R1)：数百 Ω）を直接組み込むことはできず、よって微弱な抵抗変化（r:数Ω）を共振回路特性に反映することは困難でした。

（２）今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

今回、三宅研究グループでは、Gain-Loss結合のセンサ側に2極式バイオセンサ（化学抵抗器）を並列に接続することで、共振回路の振幅変調（AM）を成し遂げました。また、並列接続共振回路におけるパリティ・時間（PT）対称性について理論的な成立を証明し、実験的に結合系Q値の増加（高感度化）、および、微弱な生体信号を無線で計測するに成功しました（図2）。

図２：従来回路および新回路による計測システム

涙に含まれる生化学成分は、夾雑物を多く含むため、一般的に、反応選択性を有する酵素電極が用いられます。しかし、涙中糖度は、濃度が極端に低いため（0～0.5 mM）、得られる信号が微弱です（抵抗値変化が小さい）。既存技術（古典的なLoss-Loss共振結合回路）では、これを無線で測ることは非常に困難であるため、センサの特性を示すのみに留まり、無線で測るまでには至っていないのが現状でした（図2左図：従来法）。そこで、三宅研究グループで開発した繊維型酵素センサを新回路に組み込むことで、無線で高感度に計測することに成功しました（感度：2000 Ω/ 0.1mM、図２右図、図３：提案手法）。その結果、0.05 mM単位の糖度を見分けることが可能となるため（健常者の糖度: 0.05-0.2 mM、糖尿病患者の糖度: 0.15-0.5 mM）、糖尿病患者（現在までに1000万人以上いる）の健康管理に利用できることに加え、国内では失明原因第2位、グローバルでは失明原因第１位の糖尿病網膜症の無線計測が実現できることを実証しました。本システムは、センサ側の抵抗値（R₁）と極性の異なる負性抵抗（-R₂、ただし|R₁ |=|R₂ |）を検出器に設置するのみで良いため、既存のセンサをそのまま利用できことが特徴です。また、センサ側に電源を設置することが不要となるため、使い捨てレンズなどの消耗品センサの単価を抑えることが可能となります。なお、本無線計測システムは、ヒトのみを対象とするものでなく、犬などのペット産業にも応用することができます。

図３：従来法と新手法による糖度の無線計測

さらに、本無線計測の仕組みは、上述した体表計測に加え、体内への応用にも技術的優位性を示します（図4）。一般的に、体内埋め込みデバイスへの無線給電および無線計測を実現する際、皮膚において交流電場のエネルギー吸収が生じるため（誘電損失）、給電効率および計測感度が著しく低下します。実際に、市販のヒト皮膚を用いてエネルギー損失を確認したところ、皮膚によって計測インピーダンスが1/4低下し、さらに、無線計測（血中乳酸濃度）の感度が低下することを確認しました。

図４：皮膚を介した無線計測への応用

一方、PT対称性の仕組みを利用すると、皮膚抵抗を加味した負性抵抗を調整（チューニング）できるため、高いセンサ感度を維持させたまま無線計測が可能となります。

（３）研究の波及効果や社会的影響

今回の研究により、高感度で高利得な無線センサおよび計測システムを構築することに成功しました。ここでは、敗血症（乳酸アシドーシス）のバイオマーカーで知られる血中乳酸を測定対象とし、敗血症が疑われる患者の乳酸濃度（0-4.0 mM）を無線で測れることを確かめました。従って、本技術は、従来技術と比較して高感度・高利得などの技術的優位性を持ち、かつ、体表および体内埋め込みなど目的とする無線計測システム（センサ・リーダ・システム）として、幅広く利用することができます。

（４）今後の課題・研究者からのコメント

今後はこの研究成果の事業化に向け、本計測レンズを用いて医学部眼科の先生と共同で臨床試験に取り組んでいきます。また、本プロジェクトにご興味のある企業からのお問い合わせをお待ちしています。

（５）用語解説

※1 共振結合系の高Q値化
共振回路における共振のピークの鋭さを表す値「Q」（Quality factor）が大きいほど、共振回路の損失が少ない回路を実現できたと言えます。

（６）論文情報

雑誌名：Advanced Materials Technologies
論文名：Wearable, Implantable, Parity-Time Symmetric Bioresonators for Extremely Small Biological Signal Monitoring
執筆者名（所属機関名）：Taiki Takamatsu, Y. Sijie, Takeo Miyake（Waseda University）
掲載日時：2023年4月8日（土）
掲載URL：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202201704
DOI：10.1002/admt.202201704

（７）研究助成

日本医療研究開発機構 官民による若手研究者発掘支援事業（Grant Number JP20he0422009j0001）、研究成果展開事業大学発新産業創出プログラム（START）大学・エコシステム推進型大学推進型、東電記念財団、カシオ科学振興財団、キヤノン財団

このたび、早稲田大学の研究者5名が、科学技術分野で顕著な功績があったとして、「令和5年度科学技術分野の文部科学大臣表彰」を受賞しました。
科学技術分野の文部科学大臣表彰は、科学技術に携わる者の意欲向上を図り、日本の科学技術水準の向上に寄与することを目的としており、科学技術に関する研究開発、理解増進等において顕著な成果を収めた者に対し授与されています。

今後も本学では、中長期計画「Waseda Vision150」における研究ビジョンである「世界の平和と人類の幸福に貢献する研究」の実現に向け、未来をイノベートする独創的研究の促進を図ってまいります。

世界初　次世代コンピューティングにより固体表面への分子吸着予測に成功

発表のポイント

• 次世代コンピューティングの一つである量子インスパイアード技術^※1「Fujitsu Quantum-inspired Computing Digital Annealer」^※2（以下、「デジタルアニーラ」）を用いた、固体表面への分子吸着の予測に世界で初めて成功
• 組合せ爆発を起こさずに分子の吸着配位を高速に探索する新手法を開発
• 分子配置の組合せが多い複合材料などにおいて、正確かつ高速に最適な配置を予測することが可能に

早稲田大学大学院先進理工学研究科博士1年の三瓶　大志（さんぺい　ひろし）氏・七種　紘規（さえぐさ　こうき）氏ならびに同大理工学術院の関根　泰（せきね　やすし）教授らの研究グループは、慶應義塾大学理工学部の田中　宗（たなか　しゅう）准教授、ENEOS株式会社とともに、次世代コンピューティングの一つであるアニーリング方式に属する富士通株式会社の量子インスパイアード技術「デジタルアニーラ」を用いて、固体表面への分子吸着を予測することに成功しました。量子インスパイアード技術を固体表面への分子吸着予測に活用する取り組みは世界初となります。

今回、「デジタルアニーラ」を用いて、組合せ爆発を起こさずに吸着配位を高速に探索する新しい方法を開発しました。本手法では、特に多くの分子が吸着している領域において、従来法よりもはるかに高速に、安定な分子配置を発見できることがわかりました。一例として、従来は38601秒かかっていた16分子の吸着の予測を、準備時間（1回のみ必要）2154秒と、「デジタルアニーラ」による計算132秒だけで完了でき、圧倒的な高速性を示すことができました。

また、得られた結果を株式会社Preferred NetworksとENEOS株式会社が共同で設立した株式会社Preferred Computational Chemistryが提供する汎用原子レベルシミュレータMatlantisで解析した結果、本手法による予測が正しいことがわかりました。この手法により、特に分子配置の組合せが多い複合材料や大規模モデリングにおいて、正確かつ高速に最適な配置を予測することが可能になります。

本研究成果は、2023年3月27日（現地時間）にアメリカ化学会の『JACS Au』のオンライン版で公開されました。

論文名：Quantum Annealing Boosts Prediction of Multimolecular Adsorption on Solid Surfaces Avoiding Combinatorial Explosion
DOI：10.1021/jacsau.3c00018

(1)これまでの研究で分かっていたこと

分子の表面への吸着現象は、触媒反応など多様な分野において必ず発生する重要な過程です。これらは理論計算を行うことで、原子レベルで触媒反応や吸着を捉えることが可能でした。このような理論計算により分子や原子の吸着に注目して触媒性能を評価する研究はこれまでにも多く存在しています。しかしこれら理論計算は、少ない分子の計算による精密な計算が主であり、分子の数が増えると組合せ爆発が起こるため、膨大な時間がかかることが課題でした。

(2)今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

このように網羅的に高被覆率の吸着構造の探索を行うことは、正確な評価ができるが分子数に対して指数関数的な時間がかかります。一方、逐次探索による被覆率の影響評価は、少ないコストで済むが不正確なモデル構築で仮定して進めるため、正確性に欠けることが知られています。そこで研究グループは、富士通株式会社が有する組合せ最適化問題に特化したアニーリング方式に属する量子インスパイアード技術である「デジタルアニーラ」を活かして、表面化学分野における分子の吸着を予測することができないかと考え、取り組んできました。

(3)そのために新しく開発した手法

今回研究グループが開発した手法を図に示します。アニーリング方式では、最適化の対象となる式をQUBOと呼ばれる形式で記述する必要があります。そのためには固体表面への多分子の吸着という多値変数を、複数の2値変数で表現しなければなりません。このような中で、独自に吸着構造をQUBOと呼ばれる形式のモデルへと転換する手法を構築し、さらにそれを「デジタルアニーラ」によって解くことで、最適な構造を短い時間で計算して予測することが可能になりました。

本手法は、特に多くの分子が吸着している領域において、従来法よりもはるかに高速な探索と安定な分子配置を発見できることがわかりました。一例として、従来は38601秒かかっていた16分子の吸着の予測を、準備時間（1回のみ必要）2154秒と、「デジタルアニーラ」による計算132秒だけで完了でき、圧倒的な高速性を示すことができました。

また、得られた結果を株式会社Preferred NetworksとENEOS株式会社が共同で設立した株式会社Preferred Computational Chemistryが提供する汎用原子レベルシミュレータMatlantisで解析した結果、本手法による予測が正しいことがわかりました。これは、元の構造さえわかっていればモデルを組めるため、ニューラルネットワークポテンシャル^※3による答え合わせが可能なことによります。この手法により、特に分子配置の組合せが多い複合材料や大規模モデリングにおいて、正確かつ高速に最適な配置を予測することが可能になります。

(4)研究の波及効果や社会的影響

今回の発見は、触媒反応や材料の合成などの多様な表面が関わる化学において、多くの分子の吸着を高速に正確に行うことができるという革新的な手法を作り上げ、次世代のコンピューティングを活かした化学の予測という新分野を開拓します。

(5)今後の課題

本研究は次世代コンピューティングの一つであるアニーリング方式を化学に用いた最初の報告です。今後、分子の傾きなどを組み入れて、多様な分子の吸着を予測できるように開発を続けていきたいと考えています。

(6)研究者のコメント

これまでの計算化学は正確ですが時間がかかることが課題でした。「デジタルアニーラ」は次世代コンピューティングの一つとして注目されており、組合せ最適化問題を解く手法として優れていることが知られ、物流分野などでは最近多く用いられてきています。これを化学における吸着に応用しようというのは初めての取り組みであり、困難を伴いましたが、多様なアイデアの組み合わせで実現することができました。今後のカーボンニュートラルに資する新たな化学反応の予測にこれらを応用していきたいと考えています。

(7)用語解説

※1　量子インスパイアード技術
量子現象に着想を得たコンピューティング技術で、現在の汎用コンピュータでは解くことが難しい「組合せ最適化問題」を高速で解く技術

※2　Fujitsu Quantum-inspired Computing Digital Annealer（デジタルアニーラ）
現在の汎用コンピュータでは解くことが困難な組合せ最適化問題を高速に解く富士通独自の量子インスパイアード技術。https://www.fujitsu.com/jp/digitalannealer/index.html

※3　ニューラルネットワークポテンシャル
従来からある原子シミュレータに対して、深層学習モデルを組み込むことで、原子スケールで分子や材料の挙動を再現して大規模な計算・予測・探索を行うことができること。

(8)論文情報

雑誌名：JACS Au
論文名：Quantum Annealing Boosts Prediction of Multimolecular Adsorption on Solid Surfaces Avoiding Combinatorial Explosion
執筆者名（所属機関名）：Hiroshi Sampei^#*1, Koki Saegusa^#*1, Kenshin Chishima^*1, Takuma Higo^*1, Shu Tanaka^*2, Yoshihiro Yayama^*3, Makoto Nakamura^*4, Koichi Kimura^*4, and Yasushi Sekine^*1
＊1　早稲田大学
＊2　慶應義塾大学
＊3　ENEOS株式会社
＊4　富士通株式会社
掲載日（現地時間）：2023年3月27日
掲載URL：https://doi.org/10.1021/jacsau.3c00018
DOI：10.1021/jacsau.3c00018

(9)研究助成

研究費名：環境省
研究課題名：令和４年度地域資源循環を通じた脱炭素化に向けた革新的触媒技術の開発・実証事業
（革新的多元素ナノ合金触媒・反応場活用による省エネ地域資源循環を実現する技術開発）
研究代表者名（所属機関名）：関根　泰　教授（早稲田大学理工学術院）

結晶の共振固有振動による大きく高速な屈曲を世界で初めて発見

メカニカル結晶はアクチュエータやソフトロボットへ実用化する段階に到達

発表のポイント

光や熱などの外部刺激を動きに変換する「メカニカル結晶」の開発において、これまで光異性化・相転移・光熱効果などの現象が駆動源として用いられましたが、高速かつ大きな動きを創出することは難しく、課題でした。

本研究グループは、結晶に光を当てることで固有振動が起きて高速屈曲が生じ、この固有振動と同じ周波数の光を与えることによって生じる共振（共振固有振動）により、屈曲が大きく増幅することを世界で初めて発見しました。

共振固有振動を用いることであらゆる結晶を高速で大きく屈曲させることができるため、汎用性のある高速アクチュエーション機構として、ソフトロボットなどへの応用が期待されます。

早稲田大学（東京都新宿区、総長：田中愛治）ナノ・ライフ創新研究機構の小島秀子（こしまひでこ）招聘研究員と、同大理工学術院の朝日透（あさひとおる）教授、同大学大学院先進理工学研究科4年（一貫制博士課程4年）・日本学術振興会特別研究員（DC1）の萩原佑紀（はぎわらゆうき）らの研究グループ（以下、本研究グループ）は、東京工業大学（東京都目黒区、学長：益一哉）物質理工学院の森川淳子（もりかわじゅんこ）教授らと、結晶に光を当てることで固有振動が起きて高速屈曲が生じることを発見しました。さらにこの固有振動と同じ周波数の光を与えることで、共振により屈曲が大きく増幅することを世界で初めて発見しました。今回の共振固有振動を用いることで、汎用性の高い高速結晶アクチュエータやソフトロボットの実現が期待されます。

本研究成果は、Springer Nature社発行による『Nature Communications』誌のオンライン版に2023年3月13日（月）（現地時間）に掲載されました。

論文名：Photothermally induced natural vibration for versatile and high-speed actuation of crystals

（１）これまでの研究で分かっていたこと（科学史的・歴史的な背景など）

光や熱などの外部刺激を動きに変換する「メカニカル結晶」は、軽くて柔らかいアクチュエータ^※1やソフトロボット^※2への応用が期待されています^{（参考文献1）}。私たちは過去15年間、結晶を動かす原理として、光異性化^{※3（参考文献2）}や相転移^{※4（参考文献3）}に注目して、多数のメカニカル結晶を開発しました。しかし、光異性化や相転移する結晶は数が限られています。特に、光異性化については屈曲する動きが遅く（数秒）、厚い結晶は屈曲しないといった問題点がありました^{（参考文献4）}。

本研究グループは2020年、光熱効果^※5によって厚い結晶が25 Hzの高速で屈曲することを発見しました^{（参考文献5）}。その後、別の結晶を用いて、光熱効果による屈曲の機構をシミュレーションにより明らかにしました^{（参考文献6）}。しかし、この光熱効果による屈曲は小さく（0.2–0.5度）、大きな動きを創出することが課題でした。

（２）今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

物体に外力を加えると、特有の周波数（固有振動数）で振動し続ける現象を固有振動といいます。この固有振動と同じ周波数の外力を加えると、共振と呼ばれる現象が発生して、振動が増幅されます。例えば、地震の際、建物の固有振動数と地震の周波数が一致すると共振して激しく揺れ、倒壊する恐れがあります。ギターやサックスなどの楽器は、弦やリードの動きで音（振動）を作り、箱や筒の中で共振させることで音を増幅しています。このように固有振動は私たちの日常に広く関わっていますが、動く材料を創るという観点では注目されていませんでした。

本研究の最初の目的は、熱膨張の大きい有機結晶に注目して、光熱効果による大きな屈曲を創出することでした。その研究中に、100ミリ秒で1.2度の光熱効果による大きな屈曲と同時に、390 Hzの高速で0.1度の微小な固有振動が起きていることを初めて発見しました（黒、図1a）。驚くことに、この固有振動と同じ390 Hzのパルス光を照射すると、共振により固有振動が3.4度に増幅されました（黒、図1b）。つまり、共振固有振動によって、結晶の高速で大きな屈曲が創出できることを世界で初めて発見しました。

この仕組みを解明するため、本研究グループは、光熱効果による熱が結晶内を伝導してできた温度勾配により結晶が変形し、同時に生じた熱応力^※6が結晶の振動を起こすという機構を仮定し、結晶の屈曲をシミュレーションしました。その結果、共振を伴わない屈曲と共振により増幅された屈曲の両方を再現することができました（赤、図1a, b）。

さらに、結晶の形状を変えると200­–700 Hzの様々な共振固有振動が観察され、長く薄い結晶では「大きい屈曲」が、短く厚い結晶では「素早い屈曲」が創出できることがわかりました（図2a）。この共振固有振動について屈曲速度とエネルギー変換効率（光→屈曲運動）を、光異性化、光熱効果、非共振固有振動による屈曲と比較した結果、最も速い屈曲速度（0.2–0.7 m s^-1）かつ最も高いエネルギー変換効率（~0.1 %）が得られることがわかりました（図2b）。

（３）そのために新しく開発した手法

正確な周波数のパルス光を照射するため、電子工作に広く用いられているArduino^※7による制御システムを構築しました。光熱効果と固有振動の合わさった屈曲をシミュレーションするため、物体のあらゆる物理現象の計算に適している有限要素法^※8を用いました。

（４）研究の波及効果や社会的影響

本研究において共振固有振動によって結晶を高速で大きく屈曲させられることを初めて発見し、シミュレーションによる再現にも成功しました。固有振動の共振に注目することで、あらゆる結晶を高速で大きく屈曲させることが可能です。また屈曲はシミュレーションできるため、結晶の種類やサイズ、光の照射条件などを変えれば望みの動きを設計することができます。

最終的にはこれまでの光異性化や相転移では難しかった、汎用性の高い高速結晶アクチュエータやソフトロボットの実現に期待が高まります。このような実用化へのアプローチにより、ヒトとロボットが融和して日常的に触れ合う、未来社会の創成に貢献できます。

（５）今後の課題

現状、固有振動で結晶が動く例はまだ本研究の１例のみなので、今後は別の結晶についても検討し共振固有振動の汎用性について実証する必要があります。さらに高速な固有振動を起こすことが出来れば、幅広い応用先の考案につながるため、高い固有振動数を持つヤング率^※9の高い結晶に注目し検討する必要があると考えます。

（６）研究者のコメント

光で動く結晶はこの15年間で多数報告されてきました。今回、本研究グループの発見により、共振固有振動を用いてあらゆる結晶を高速で大きく動かせることがわかりました。本研究により、メカニカル結晶は実際にアクチュエータやソフトロボットへ実用化する段階に進んだと考えています。今後はアクチュエータやソフトロボットへの応用にも挑戦し、基礎研究から実用化まで、幅広く研究を展開したいと思います。

（７）用語解説

※1　アクチュエータ

光や電気といった入力信号を動きに変換する素子。

※2　ソフトロボット

金属など固い材料を用いず、柔らかい材料のみからなるロボット。

※3　光異性化

ある分子が光を吸収して別の分子に変化すること。

※4　相転移

光や熱などにより、材料がある状態から別の状態に変化すること。

※5　光熱効果

物質が光を吸収して熱を発生すること。

※6　熱応力

材料が熱的に膨張することで生じる力。

※7　Arduino

電気機器を制御するコンピュータの一種。

※8　有限要素法

物理現象を近似的に解くための数値解析手法。

※9　ヤング率

材料の変形しにくさを表す物性値。

【参考文献】

1. Koshima H. (ed) Mechanically Responsive Materials for Soft Robotics (2020). DOI: 10.1002/978352782220
2. Koshima H. et al., Am. Chem. Soc., 2009. DOI: 10.1021/ja8098596
3. Taniguchi T. et al., Commun., 2018. DOI: 10.1038/s41467-017-02549-2
4. Koshima H. et al., J. Chem., 2021. DOI: 10.1002/ijch.202100093
5. Hagiwara Y. et al., Mater. Chem. C., 2020. DOI: 10.1039/d0tc00007h
6. Hasebe S. et al., Am. Chem. Soc., 2021. DOI: 10.1021/jacs.1c03588

（８）論文情報

雑誌名：Nature Communications
論文名：Photothermally induced natural vibration for versatile and high-speed actuation of crystals
執筆者名（所属機関名）：Yuki Hagiwara^*a, Shodai Hasebe^*a, Hiroki Fujisawa^*b, Junko Morikawa^*b, Toru Asahi^*a, Hideko Koshima^*a
*a: 早稲田大学、*b: 東京工業大学
掲載日（現地時間）：2023年3月13日（月）
掲載日（日本時間）：2023年3月13日（月）
掲載URL：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37086-8
DOI：10.1038/s41467-023-37086-8

（９）研究助成（外部資金による助成を受けた研究実施の場合）

研究費名：文部科学省　科研費　基盤研究（B）
研究課題名：熱と光で自在に動くロボット結晶の開発
研究代表者名（所属機関名）：小島 秀子（早稲田大学）

研究費名：文部科学省　科研費　特別研究員奨励費
研究課題名：光熱効果によるメカニカル結晶材料の多様化と可能性の拡大
研究代表者名（所属機関名）：萩原 佑紀（早稲田大学）

研究費名：早稲田大学　アーリーバードプログラム
研究課題名：光熱駆動高速結晶メカニカルリレーの開発
研究代表者名（所属機関名）：萩原 佑紀（早稲田大学）