このたび、早稲田大学の研究者4名が、科学技術分野で顕著な功績があったとして、「令和6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。
We’re proud to bring you Waseda Universty’s Research Recap 2024. The video highlights just a few of the many innovators who conducted influential research at our university over the past year. Watch for a peek at their diverse research covering everything from self-healing interconnects and airborne microplastics to conversational AI media systems and hydrogen storage materials.
If you wish to find out more about the extensive activities at our University, click on one of the links that follow in the description. Thanks to all the students and professors who put their research on display for this video.
Research Theme: Economic development and environmental conservation in developing countries
Recent Research: https://www.waseda.jp/inst/research/news-en/76941
Researcher Details: https://w-rdb.waseda.jp/html/100001339_en.html
2022 WASEDA research acceleration program for early-stage principal investigators
Research Theme: Development of additive manufactured functional structure
Recent Research: https://www.waseda.jp/inst/research/news-en/76856
Researcher Details: https://w-rdb.waseda.jp/html/100002014_en.html
The recipients of the 2022 Waseda Research Award
Research Theme: Micro-electro-mechanical systems
Recent Research: https://www.waseda.jp/inst/research/news-en/76980
Researcher Details: https://w-rdb.waseda.jp/html/100001156_en.html
The recipients of the 2016 Waseda Research Award
2023 Next-generation Core researcher
Research Theme: Inorganic materials chemistry
Recent Research: https://www.waseda.jp/inst/research/news-en/76941
Researcher Details: https://w-rdb.waseda.jp/html/100003644_en.html
Research Theme: Public health, Infectious diseases, Health education
Recent Research: https://www.waseda.jp/inst/research/news-en/76882
Researcher Details: https://w-rdb.waseda.jp/html/100003620_en.html
Research Theme: Environmental Chemistry
Recent Research: https://www.waseda.jp/top/en/news/78501
Researcher Details: https://w-rdb.waseda.jp/html/100000728_en.html
Research Theme: Energy material science, chemical reaction and energy process engineering
Recent Research: https://www.waseda.jp/inst/research/news-en/76960
Researcher Details: https://w-rdb.waseda.jp/html/100001495_en.html
Research Theme: Conversational AI media systems
Recent Research: https://www.waseda.jp/inst/research/news-en/76861
Researcher Details: https://www.yoichimatsuyama.com/about/
Research Theme: Safety and performance optimization
Recent Research: https://www.waseda.jp/inst/research/news-en/76832
Researcher Details: https://w-rdb.waseda.jp/html/100001822_en.html
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早稲田大学の最新の注目研究者をピックアップした動画：Innovators: Research Recap 2024, Waseda University を公開しました。是非ご覧ください。
研究分野) Economic development and environmental conservation in developing countries
Recent Research) https://www.waseda.jp/inst/research/news-en/76941
Researcher Details) https://w-rdb.waseda.jp/html/100001339_en.html
2022年度早稲田大学PI飛躍プログラム支援対象者
研究分野) Development of additive manufactured functional structure
Recent Research) https://www.waseda.jp/inst/research/news-en/76856
Researcher Details) https://w-rdb.waseda.jp/html/100002014_en.html
2022年度 早稲田大学リサーチアワード受賞者
研究分野） Micro-electro-mechanical systems
Recent Research) https://www.waseda.jp/inst/research/news-en/76980
Researcher Details) https://w-rdb.waseda.jp/html/100001156_en.html
2016年度早稲田大学リサーチアワード（国際研究発信力）受賞者
次代の中核研究者2023
研究分野） Inorganic materials chemistry
Recent Research) https://www.waseda.jp/inst/research/news-en/76941
Researcher Details) https://w-rdb.waseda.jp/html/100003644_en.html
研究分野） Public health, Infectious diseases, Health education
Recent Research) https://www.waseda.jp/inst/research/news-en/76882
Researcher Details) https://w-rdb.waseda.jp/html/100003620_en.html
研究分野） Environmental Chemistry
Recent Research) https://www.waseda.jp/top/en/news/78501
Researcher Details) https://w-rdb.waseda.jp/html/100000728_en.html
研究分野） Energy material science, chemical reaction and energy process engineering
Recent Research) https://www.waseda.jp/inst/research/news-en/76960
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研究分野） Conversational AI media systems
Recent Research) https://www.waseda.jp/inst/research/news-en/76861
Researcher Details) https://www.yoichimatsuyama.com/about/
研究分野）Safety and performance optimization
Recent Research) https://www.waseda.jp/inst/research/news-en/76832
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演題：Stochastic homogenization of viscous HJ equations in 1d
日時：2024年4月27日(土) 16：10―17：10
会場：西早稲田キャンパス 55号館N棟1階第２会議室
講師：Andrea Davini (associate professor at Sapienza University of Roma)
対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方
参加方法：入場無料、直接会場へ
主催：先進理工学部 物理学科
問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課
TEL：03-5286-3000
演題：Singlet Oxygen: Formation, Properties and Applications
日時：2024年4月24日(水) 10：00－11：00
会場：西早稲田キャンパス 62号館 1階 大会議室B(西側)
講師：Kamil Lang（Institute of Inorganic Chemistry, The Czech Academy of Science, Director）
対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方
参加方法：入場無料、直接会場へお越しください。
主催：先進理工学部 応用化学科
問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課
TEL：03-5286-3000
演題：Photodynamic Applications of Octahedral Molybdenum Cluster Complexes
日時：2024年4月24日(水) 11：00－12：00
会場：西早稲田キャンパス 62号館 1階 大会議室B(西側)
講師：Kaplan Kirakci（Institute of Inorganic Chemistry, The Czech Academy of Science, Researcher）
対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方
参加方法：入場無料、直接会場へお越しください。
主催：先進理工学部 応用化学科
問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課
TEL：03-5286-3000
1年生の物理に関してわからないことがあれば気軽に物理Q&Aをご利用ください。先輩が優しく教えてくれます。相談を希望の場合は以下の開室日時に55号館N棟3階305Aゼミ室までお越しください(予約不要)。
If you have any questions about physics courses in the 1st year, feel free to come to “Physics Q&A”. TA will answer to your questions! You may visit “Physics Q&A” at Room 305A on the 3rd floor of Bldg.55N during the opening hours without appointment
開室時間外は対応はできません．また，試験問題の解答そのものを求めることは，不正行為とみなされる場合があります．
We are able to respond your inquiries ONLY opening hours. Also, asking for the answers of the exam questions themselves may be considered cheating.
| 月曜日 Monday | 10:00-13:00 (LO 12:30) |
|---|---|
| 火曜日 Tuesday | 10:00-13:00 (LO 12:30) |
| 水曜日 Wednesday | 10:00-13:00 (LO 12:30) |
| 金曜日 Friday | 10:00-13:00 (LO 12:30) |
※授業期間中(春学期4月12日～7月22日，秋学期10月4日～1月27日(2025年))のみ開室。
Open during spring semester (April 12-July 22) and fall semester (October 4-January 27, 2025).
3月26日（火）雨模様の中、西早稲田キャンパスにおいて学科・専攻ごとの学位授与式が行われました。ご卒業・修了を迎えられた皆さん、おめでとうございます。今後のご活躍をお祈りしています！
演題：有機ナノ粒子のワールド ～最新ナノ薬剤の開発まで～
日時：2024年4月12日(金) 16：00－17：40
会場：西早稲田キャンパス 55号館 N棟 1F第一会議室
講師：笠井 均（東北大学教授）
対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方
参加方法：入場無料、直接会場へお越しください。
主催：先進理工学部 応用化学科
問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課
TEL：03-5286-3000
演題：Accessing druggable chemical space with AI and natural products
日時：2024年4月3日(水) 16：30－18：10
会場：西早稲田キャンパス 61号館104号室
講師：NG, Ho Leung（Director, Computational Chemistry, Hexagon Bio.）
対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方
参加方法：入場無料、直接会場へお越しください。
主催：先進理工学研究科 化学・生命化学専攻
問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課
TEL：03-5286-3000
発表のポイント
量子アニーリング計算機※1やゲート型量子計算機※2といった量子計算機を現実世界の組合せ最適化問題※3に活用するためには、組合せ最適化問題がもつ制約を効率的に取り扱うことが重要となります。これを受け、早稲田大学理工学術院講師の白井達彦（しらい たつひこ）氏、同大学理工学術院教授の戸川望（とがわ のぞむ）氏らの研究グループは、制約をもつ組合せ最適化問題を量子計算機で精度高く解くための新しい手法（図１）を開発しました。さらに、本研究グループは、この手法を量子アニーリング計算機およびゲート型量子計算機に適用し、実量子計算機でその有効性を確認しました。
図1. 提案手法の概要（グラフ分割問題※4（２頂点）を例に）
量子計算機から出力される解を、制約を満たす解に変換する制約適合処理手法を組み込んだ量子アルゴリズム
本研究成果は、米国のIEEE Computer Societyが発行する『IEEE Transactions on Quantum Engineering』online版にEarly Access Articlesとして2024年3月13日（水）（現地時間）に掲載されました。
論文名：Post-processing variationally scheduled quantum algorithm for constrained combinatorial optimization problems
現実世界のあらゆるところに存在する組合せ最適化問題は大規模になるほど、従来型のコンピュータで最適解を得ることが困難になるため、様々な解法が研究されています。中でも近年、量子アニーリング計算機やゲート型量子計算機といった量子力学の原理に従って動作する新しいタイプの計算機が注目されています。量子計算機は国内外で研究開発され、一般のユーザーもクラウド上で使用できる段階になっています。
しかし、量子計算機を活用するにはまだ課題が多くあります。とくに、現在の量子計算機はノイズの影響があるため、エラーなく実行できる時間が制限されます。そのため、短時間で計算することができる量子アルゴリズムの開発が重要となります。ノイズがある量子計算機が短時間の計算処理によって組合せ最適化問題を解法する手法として、これまで変分法※5を用いた量子アルゴリズムが開発されてきました。しかし、後述する制約をもつ組合せ最適化問題では、十分な精度を達成することは難しいという問題がありました。
今回の研究では、制約を満たさない解に対し、制約を満たす解に変換する制約適合処理手法を構築し、変分法と組み合わせることで、制約をもつ組合せ最適化問題を解くための量子アルゴリズムを構築しようと試みました。
たとえば、図1では、２個の頂点をもつグラフを１個の頂点をもつ2個のグラフに分割する問題を考えます。各頂点について1個の量子ビットを対応させます。すると２個の量子ビットが必要となります。２個の量子ビットのうち、一方は赤丸（０）、もう一方は青丸（１）とする必要があります。これが制約です。ところが量子計算機は一般に制約を満たさない解を出力します。たとえば２個の量子ビットの両方が赤丸（０）あるいは両方が青丸（１）となるような解です。このような制約を満たさない解は大きなエネルギー値をもつため、変分法を用いた量子アルゴリズムの精度を悪化させる要因となります。そこで制約適合処理手法を用いることによって、制約を満たさない解を、制約を満たす解に変換することを考えました。すると、制約を満たす解空間において変分パラメタの最適化を行うため、精度高く組合せ最適化問題の最適解を探索することができます。また、本手法は、量子アニーリング計算機、ゲート型量子計算機といった量子計算機のタイプによらず導入することができます。どちらのタイプの実量子計算機においても、本手法が有効であることを明らかにしました。
本手法を用いて制約をもつ組合せ最適化問題を解くことを考えます。この際、制約を満たさないすべての解を、制約を満たす解に変換することのできる制約適合処理手法を構築することがポイントとなります。
今回の研究では、できる限り汎用的な制約適合処理手法を構築することを目指しました。そこで、すべての局所最適解※6が制約を満たす解となるための条件を理論的に証明しました。この条件が満たされるとき、局所最適解を求めるための手法、たとえば貪欲法※7によって制約適合処理手法を構築することができます。この条件は、独立な線形制約※8をもつ組合せ最適化問題に対して成り立ち、現実世界に現れる多くの組合せ最適化問題に対して適用することができます。さらに典型的な組合せ最適化問題に対して、具体的に本手法が適用可能であることを示しました。
さらに量子計算機で解くことが困難とされる組合せ最適化問題のグラフ分割問題に対して、制約適合処理手法を組み込んだ場合（提案手法）と組み込まなかった場合とを比較した結果、量子アニーリング計算機では平均して残留エネルギー※9を85%削減、ゲート型量子計算機では平均して残留エネルギーを87%削減し、得られる解の精度が改善することが分かりました（図2）。
図2. 手法の比較
（左）量子アニーリング計算機を用いて実験を行なった結果を示しています。縦軸横軸は、グラフ分割問題（32頂点および64頂点）を解いたときの残留エネルギーの平均値を表しています（0が最も精度が高い）。縦軸に提案手法、横軸に従来手法を示しました。データが対角線の下側にあることは、提案手法において従来手法より性能が改善していることを示しています。（右）ゲート型量子計算機を用いて実験を行った結果を示しています。グラフ分割問題（4頂点）を解いたときの残留エネルギーの平均値を表しています（カッコ内は平均値の標準偏差を表しています）。
本手法を使うことによって、エラーなく実行可能な時間が制限されている量子計算機においても、より精度高く制約をもつ組合せ最適化問題を解くことができます。本手法は量子計算機に簡単に導入することができることから、現在のまたは近未来的に実現する量子計算機の性能を最大限引き出すための量子ソフトウェア開発の要素技術として利用されることが期待されます。たとえば、今回の手法により交通流の最適化が実現すると、渋滞の解消や二酸化炭素排出量の削減など社会的問題へ大きく貢献する可能性があります。
本手法では、制約をもつ組合せ最適化問題を量子計算機で効率的に解く手法を開発しました。今後、一層広範囲な組合せ最適化問題への適用を進めながら、実世界に見られる様々な具体的な問題に対して、本手法の有効性を検証していきます。
本研究では量子計算機を精度高く利用するための手法を開発しました。本研究で開発した手法を使うことで、量子計算機の性能が最大限発揮され、今後新たに量子計算機を活用できる事例が増えることを期待します。
※1 量子アニーリング計算機
組合せ最適化問題を高速に解決すると期待される計算機。量子効果により量子重ね合わせ状態を実現させ、それを初期状態として用意し、徐々に量子効果を弱める。同時に組合せ最適化問題を表現するイジングモデルの効果を強めることにより、イジングモデルの安定状態を実現させるという機構で動作する。
※2 ゲート型量子計算機
現在の計算機を構成するビットを量子ビットで置き換えた計算機であり、量子ゲートと呼ばれる演算を量子ビットに作用させることで動作する。
※3 組合せ最適化問題
膨大な選択肢の中から､与えられた制約を満たしつつ、関数の最小値（または最大値）をとる選択肢を求める問題の総称。
※4 グラフ分割問題
与えられたグラフの頂点集合を２個の部分集合に分割する問題。それぞれの部分集合に含まれる頂点の個数を等しくするという制約の下、異なる部分集合の間をつなぐ辺の数を最小にする組合せ最適化問題。
※5 変分法
目的関数が最小値（または最大値）となる関数を求める手法。図１では、目的関数がイジングモデルのエネルギー期待値に対応し、変分パラメタの値を更新することでエネルギー期待値の最小値を探索する。イジングモデルのエネルギー期待値の最小値が組合せ最適化問題の最適解の目的関数の値に対応する。
※6 局所最適解
組合せ最適化問題の解のうち、その周囲の解と比較して、局所的に目的関数の値が小さい（または大きい）解。局所最適解は解空間の中にいくつも存在し、その中で目的関数の値を最小（または最大）とする解が真の最適解となる。
※7 貪欲法
組合せ最適化問題に対して、繰り返し、現在得られている解をその周囲の解の中から目的関数の値が最も小さい（または最も大きい）解に更新することで、局所最適解を求める方法。
※8 線形制約
変数が満たす必要のある線形等式や線形不等式のこと。たとえば、図１で一方の量子ビットの値が0、もう一方の量子ビットの値が１という制約は、q_1+q_2=1という線形等式で与えられる（q_i (i∈{1,2})は0もしくは1の値をとる）。
※9 残留エネルギー
組合せ最適化問題を解いた際に得られた解の精度を評価する指標の一つ。得られた解の目的関数の値と真の最適解の目的関数の値の差で与えられ、値が小さいほど解の精度が良いことを表す。
雑誌名：IEEE Transactions on Quantum Engineering
論文名：Post-processing variationally scheduled quantum algorithm for constrained combinatorial optimization problems
執筆者名：Tatsuhiko Shirai（早稲田大学）, Nozomu Togawa（早稲田大学）
掲載日：2024年3月13日（水）
掲載URL：https://doi.org/10.1109/TQE.2024.3376721
DOI：10.1109/TQE.2024.3376721
研究費名・研究課題名：科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業 ＣＲＥＳＴ「地理空間情報を自在に操るイジング計算機の新展開」（JPMJCR19K4）
研究代表者名：戸川望（早稲田大学・教授）
早稲田大学における研究代表者名：理工学術院 教授 戸川望
研究費名・研究課題名：日本学術振興会（ＪＳＰＳ） 科学研究費助成事業 基盤研究（C）「量子古典ハイブリッド計算技術による物質シミュレーション高速化手法の研究」（21K03391）
研究代表者名：田中宗（慶應義塾大学・准教授）
早稲田大学における研究代表者名：理工学術院 講師 白井達彦
発表のポイント
親しい人が近くにいるとき、私たちの身体にはどのような反応が起こるのでしょうか？早稲田大学理工学術院総合研究所 向井香瑛（むかいかえ）次席研究員、同大理工学術院 渡邊克巳（わたなべかつみ）教授らの研究グループは、親しい間柄にある他者の存在が、私たちの生理的反応にどのような影響を与えるかを調べました。友人ペアをさまざまな位置で配置したときの心電図データを記録したところ、正面に友人が存在するとき、副交感神経※１の活動が活性化することで、心拍数が減少することが明らかになりました。また右手側に友人が存在するとき、副交感神経活動の活性化はみられませんでしたが、正面にいる時と同様に心拍数が減少することも分かりました。
本研究成果は、Springer Nature社発行の『Scientific Reports』に2024年2月21日（水）（現地時間）にオンラインで掲載されました（論文名：Electrocardiographic activity depends on the relative position between intimate persons ）。
私たちは他者とコミュニケーションを取るとき、快適だと感じる空間を維持することが知られています。この空間はパーソナルスペースと呼ばれ、私たちの身体を取り囲むように広がっています。他者がパーソナルスペース内に侵入すると、不快な感情が沸き起こり、他者から逃げようとする反応が観察されることもあります。この空間の大きさは、他者との社会的な関係性（パートナー、友人、知らない人など）やコミュニケーションの目的などから影響を受けることも明らかになっています。パーソナルスペースに関連する研究の多くは、「快適さ」という主観的な気持ちを指標として用いてきました。しかし近年の研究では、他者が身体の周辺にいるとき、気持ちだけでなく客観的な指標である心拍数や皮膚電気活動※２などの生理的な反応も変化することが報告されています。例えば、知らない人がパーソナルスペース内に侵入すると、心拍数の上昇や皮膚電気活動の活性化など、交感神経活動にかかわる生理的な反応の変化がみられることが示されています。
これまでの研究から、知らない人の存在によって交感神経活動にかかわる生理的な反応の変化がみられることが示されていますが、知り合いの場合でも、同じような生理的な反応の変化がみられるのでしょうか？この問いを明らかにするために、本研究は、親しい友人がパーソナルスペース内にいるときに私たちの身体にどのような生理的反応が生じるのかを実験的に検証しました。親しい間柄にある友人同士16組に実験に参加してもらい、さまざまな位置関係で立っているときの心電図データを記録しました（図２）。
その結果、親しい友人が目の前にいるとき、他の位置関係のときよりも、心拍数が減ることが明らかになりました（図３a）。また、心電図データから自律神経の活動を調べたところ、副交感神経活動の活性化がみられることが分かりました（図3b）。心拍数の減少は、副交感神経活動の活性化によって引き起こされることが知られています。このことから、私たちは、親しい友人の存在が副交感神経活動を活性化させ、その結果、心拍数が減少したと解釈しました。
さらに興味深いことに、副交感神経活動の変化はみられなかったものの、友人が右手側にいるとき（友人の右顔を見ているとき・友人に自分の右顔を見られているとき）も心拍数の減少がみられました。その一方で友人が左手側にいるとき（友人の左顔を見ているとき・友人に自分の左顔を見られているとき）や背後にいるとき（友人の背中をみているとき・友人に自分の背中をみられているとき）は心拍数の変化は観察されませんでした。右手側と左手側で異なる生理反応が生じた背景のひとつには、利き手側と非利き手側のパーソナルスペースの大きさの違いが考えられます。先行研究では、利き手側のパーソナルスペースの方が小さいことが報告されており、この非対称性が生理的反応の違いを生み出した可能性があると考えています。しかし、本研究では左右のパーソナルスペースの形状の違いは検証できていません。今後この可能性を追究していきたいと考えています。
私たちは、さまざまな間柄の人に囲まれながら社会生活を送っています。通学・通勤中は見知らぬ人と電車、バスで近くに座り、学校・職場では気心の知れた友人や同僚、少し緊張する先生や上司が近くにいて、家ではホッと安心できる家族との時間を過ごしています。日々接する他者の存在は、さまざまな形で自己に影響を与えます。本研究は、親しい友人が目の前にいると、副交感神経活動に関連する心拍数の変化が引き起こされる可能性を示しました。
本研究の成果は、円滑なコミュニケーション確立のための介入法の提案や臨床的な示唆という観点から、発達科学や社会心理学、精神病理学など対人コミュニケーションと関わる諸研究領域にも重要な知見となることが期待されます。例えば、大人よりも社会的なつながりが少ない子どもでは、他者の存在による影響は大人と異なる可能性があります。発達的な変化を調べることで、発達段階に応じて異なるコミュニケーション法を提案することができるかもしれません。また、対人不安など社会的な困難を抱える人がより生きやすくなるような社会づくりにも貢献できると考えています。
親しい友人が存在するときの生理的反応の変化を調べたい、という目的は達成した一方で、私たちの研究にはまだ検証すべき点が残っています。私たちが他者とコミュニケーションをとるとき、快適だと感じる空間の大きさや形状は、人によって異なることが明らかになっています。つまり、同じ距離に他者がいたとしても、生起する感情や誘発される生理的反応は人によって異なる可能性があるということです。本研究では、全ての友人ペアで同一の距離を用いたため、このような個々人の違いは考慮できていません。今後の研究では、個人差にも目を向け、より一般的な場面にも言及することができるよう、様々な対人コミュニケーション場面での生理的反応の変化を引き続き調べていきたいと考えています。
向井：目覚ましいデジタル技術の普及により、私たちは遠隔地にいる他者とも簡単に連絡やコミュケーションを取ることができる時代になりました。本研究は、あえてそのような時代に“オフラインでのやりとりが私たちの身体にどのような変化を生み出すのか？”という問いをリサーチクエスチョンに据え、取り組んできた研究です。今後も引き続き、人同士のオフラインのコミュニケーション場面に着目し、二者や集団内でのやりとりが私たち自身にどのような変化を生じさせているのかを調べていきたいと思います。
主に休息時やリラックス時にはたらく自律神経活動のこと。心拍数や血圧の減少などが副交感神経の活性化と関連している。一方で、活動時や緊張している時にはたらく自律神経活動は交感神経活動と呼ばれる。副交感神経活動と交感神経活動は互いに相反する役割を担うとされる。
汗腺活動によって生じる皮膚の電気現象のこと。人の心理的な状態を評価するための指標として使われる。
雑誌名：Scientific Reports
論文名：Electrocardiographic activity depends on the relative position between intimate persons
執筆者名：*Kae Mukai (Waseda University), Tomoko Isomura (Nagoya University), Ryoji Onagawa (Waseda University), Katsumi Watanabe (Waseda University)
掲載日時：2024年2月21日（水）
掲載URL：https://www.nature.com/articles/s41598-024-54439-5
DOI：https://doi.org/10.1038/s41598-024-54439-5
研究費名：ムーンショット型研究開発事業・JPMJMS2012
研究課題名：非接触表面情報からの身体運動を伴う場合の心身状態の推定
研究代表者（所属機関名）：渡邊克巳（早稲田大学）
研究費名：科学研究費助成事業（若手研究）・19K20651
研究課題名：他者による自己の身体感覚の変容
研究代表者（所属機関名）：磯村朋子（名古屋大学）
研究費名：科学研究費助成事業（研究活動スタート支援）・20K22293
研究課題名：対人協調ダイナミクスに潜む心理的要因：身体的相互作用課題を用いた検証
研究代表者名（所属機関名）：向井香瑛（早稲田大学）
研究費名：科学研究費助成事業（特別研究員奨励費）・21J01257
研究課題名：対人魅力が対人運動協調の「相性」に及ぼす影響とその神経基盤の解明
研究代表者名（所属機関名）：向井香瑛（早稲田大学）
研究費名：科学研究費助成事業（基盤研究(A)）・22H00090
研究課題名：クロスモーダル型人間拡張技術の知的基盤の構築
研究代表者（所属機関名）：渡邊克巳（早稲田大学）
研究費名：科学研究費助成事業（基盤研究(B)）・22H03494
研究課題名：心拍リズムに基づく情報サンプリング機構の発達に関する生理心理学的研究
研究代表者名（所属機関名）：磯村朋子（名古屋大学）
パーソナルスペース、友人、生理的反応、心拍数、副交感神経活動
発表のポイント
早稲田大学（以下、早大）理工学術院の川西哲也（かわにしてつや）教授の研究グループは、岐阜大学工学部の久武信太郎（ひさたけしんたろう）教授らと共同で、屋外設置可能なテラヘルツ通信装置を開発し、早大西早稲田キャンパス（東京都新宿区）内で長期連続伝送実験を開始しました。これまでのテラヘルツ通信は実験室レベルでの実証がほとんどでしたが、本研究では、24時間屋外動作を可能としました。通信装置の姿勢制御機能を実装し、アンテナ自動調整を実現しました。現在、降雨・降雪時を含む天候変動時の伝送特性評価を実施中で、2024年２月５日の東京地方大雪時のテラヘルツ伝搬特性を計測し、今後のシステム設計に有用な情報の取得に成功しました。信号形式・周波数などはテラヘルツ通信規格IEEE802.15.3d※１に準拠しています。
次世代移動通信システムBeyond5G /6Gシステム※２の基地局を接続するためのネットワーク（バックホール・フロントホール※３）において、その一部を高速テラヘルツ通信が担うことが期待されています。これまでの研究報告のほとんどは実験室内での実証や測定器を使った通信の模擬によるものでした。テラヘルツ無線は雨や雪の影響を受けやすいという課題があり、その影響を評価する必要がありました。また、ミリ波帯・テラヘルツ帯ではその波長の短さからアンテナ方向の精密調整が必要という課題もありました。
屋外設置可能なIEEE802.15.3d準拠のテラヘルツ通信装置の開発に成功しました（図１、２参照）。テラヘルツ帯通信実験では測定器による伝送の模擬や単方向の画像伝送をデモンストレーションするものが大半ですが、今回開発した装置はイーサネットインターフェースを有しており、実データの双方向伝送を可能としています。
また、屋外において連続伝送実験を行うための筐体の開発、センサー装置の実装を行いました。ミリ波帯やテラヘルツ帯ではビーム幅の細い電波を用いますが、アンテナ方向の調整にコストがかかるという課題がありました。本研究では、精度の高い機構設計と精密電動雲台による制御により、自動アンテナ方向調整を実現しました。また、テラヘルツ帯では送信と受信のアンテナを共通にすることが困難であったために、それぞれ個別のアンテナを用いることが一般的でした。本研究では、300GHz帯回路を設計し、送受アンテナ共通化と機構設計の精密化により、装置の小型化、防水対応、アンテナ方向精度の向上を図りました。
早大西早稲田キャンパス内に一組のテラヘルツ通信装置を設置し、現在、長期連続伝送実験を実施中です。気象センサー、装置内温度センサー、振動センサーなどを備え、風雨・降雪・温度変化と伝送特性の相関を連続的に観測することが可能です。2024年2月5日（月）の東京地方降雪時においても連続データ取得をいたしました。図3に示すように大雪時に受信電力(RSSI※4）の大きな変動が確認されました。詳細については現在解析中ですがアンテナへの着雪と落雪が繰り返されたことによると推定しています。
今回開発した屋外で動作させることが可能な小型のテラヘルツ通信装置を活用し、実用化に向けて、伝送容量・伝送距離拡大や、他の無線器との干渉の影響の解析など様々な実験を実施します。さらに、複数のテラヘルツ通信装置を連携させ、悪天候時にもおいても安定的に動作するシステムの実現を目指します。
今回開発したテラヘルツ通信装置の技術的内容については、2024年3月5日（火）から8日（金）に広島大学で開催される電子情報通信学会総合大会にて発表予定です。本研究の成果をベースに、JST ASPIRE事業（JPMJAP2324）「マルチフィジックスICTデザイン」を進める予定です。電子工学・機械工学・材料工学などの学際領域の知見を結集し、マルチフィジックスICTという新しい概念の構築を目指すものです。今回開発した通信装置は、最新の電子デバイスを用いた送受信器、精度の高い微動機構によるアンテナ制御、気象状況の詳細測定などの技術をベースとしています。ASPIRE事業では、テラヘルツ波、光ファイバなどの様々な伝送媒体を用いたネットワークを電子工学、機械工学などを駆使してデザインすることを目標としています。当ASPIRE事業の概要については、上記の電子情報通信学会総合大会のスポンサードセッションとして3月6日（水）に開催されるキックオフミーティングにて発表予定です。
本研究成果の一部は国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT（エヌアイシーティー））の革新的情報通信技術研究開発委託研究（JPJ012368C04301）「欧州との連携による300GHzテラヘルツネットワークの研究開発」によるものです。欧州委員会のHorizon2020、および国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT（エヌアイシーティー））の委託研究「大容量アプリケーション向けテラヘルツエンドトゥーエンド無線システムの開発（ThoR: TeraHertz end-to-end wireless systems supporting ultra high data Rate applications）」（研究期間：2018年7月1日から2022年6月30日まで）の研究成果も活用しています。
早稲田大学：テラヘルツ伝送装置の開発
岐阜大学：アンテナ制御機構の開発
ブルートゥースや無線 LAN で有名な IEEE802 規格の 1 つ。テラヘルツ帯における唯一の通信規格。
最近サービスがはじまった移動通信システムは第5世代(5G)とよばれている。これに対して、次世代システムとしてBeyond5Gさらには 第６世代(６G)移動通信システムの開発が進められている。
携帯電話の基地局間を結ぶネットワーク。バックホールは無線通信で伝送するデジタルデータをやりとりするネットワークを指す。フロントホールは無線機本体とアンテナを分離して狭いビルの屋上など様々なところにアンテナを置くことを可能とするために期待されている技術で、無線機本体で作られた電波の波形をアンテナまで伝える役割を担う。役割としてテレビ本体とアンテナをつなぐケーブルと同じであるが、要求される性能が高いため現在では光ファイバが用いられることが多い。
無線通信装置において受信電力の目安をあたえる数値。測定器よりは精度がおちるが、無線装置の制御に広く用いられている。
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