「自走する作り手でありたい」「ものプロへの参加は大きな成功体験」

創造理工学部 4年　玉山 康次郎（たまやま・こうじろう）
創造理工学部 4年　片桐 萌音（かたぎり・もね）

新しいことに挑戦し失敗からも学ぶ意欲、計画を立て着実に遂行する能力、困難に立ち向かう力を有する学生の育成を目的として、2012年から2018年まで毎年開催されていた「WASEDAものづくりプログラム 」（以下、ものプロ）。2024年6月に6年ぶりに復活し、ファイナリストに13チームが選ばれ、アイデアをカタチにするための独創的な「ものづくり」に挑みました。その中から最優秀ものづくり大賞に選ばれたのは、玉山康次郎さん、片桐萌音さん、林浩次郎さん（創造理工学部 4年）が製作した、ヒトを“みまもる”フクロウ型アニマトロニクス（※1）「Patr-Owl（パトロール）」。今回は、チームを代表して玉山さんと片桐さんに、大賞受賞までの過程や今後の展望について聞きました。

（※1）動物やキャラクターなどをあたかも生きているかのように表現したロボット。

――どのような経緯でものプロに出場したのでしょうか？

玉山：私たちは大学1年生の頃から早稲田大学ROBOSTEP （公認サークル）に所属し、ロボコンに参加するなど、ものづくりに取り組んできました。3年生になり、他に「作り手」として成長できる機会を探していた時に、ものづくり工房に貼ってあったチラシを見つけ、参加を決めたんです。その際に、片桐さんに声を掛けました。

――Patr-Owlを作ろうと思ったきっかけは何ですか？

玉山：私は以前から遊園地でよく目にするアニマトロニクスの和やかな感じが大好きでした。やる気が出ず、だらだらしてしまっていたときに、自分の家に和やかに見守ってくれるようなロボットがいたらやる気が出るのになあ、と思ったのがきっかけです。

片桐：誰かに見守られることでやる気が出るという現象には、観察者効果（※2）が関わっています。普段は娯楽・展示用に使われるアニマトロニクスと観察者効果を結び付けることができれば、「監視」ではなく恐怖感を与えない「みまもり」になるのではないかと考えたんです。みまもりということで、目が特徴的な動物であるフクロウ型のロボットPatr-Owlを作ることに決めました。

（※2）他者から監視されていると感じることで、その人の行動や言動が変化する現象。

――Patr-Owlの仕組みや制作過程を教えてください。

片桐：Patr-Owlの帽子に内蔵されているカメラが人の顔を認識して、その方向に目や体を向けて「みまもる」という仕組みになっています。フクロウは首の関節が多く、その滑らかな動きをできるだけ再現するために、6関節あるアームの構造を考えました。

Patr-Owlが人のいる方向に体を向ける様子

人の顔がある方向に目を向ける様子

玉山：製作にあたっては、片桐さんが中身の機構を作る機械設計と外装やデザイン回り、私はPatr-Owlの動きを制御するプログラムや基板の設計を担当しました。本番までの準備時間が足りなかったため、3月頃からは同じサークルに所属する林さんにも急きょ助っ人として参加してもらい、主にカメラで人の顔を画像認識する部分を担当してもらいました。

――ものプロを通して、苦労したことや成長できたことはありますか？

玉山：2024年9月から2025年3月までの期間で、機械設計から回路設計、制御、外装製作まで全てゼロから行うという作業量に加え、初めて挑戦する技術も多かったため、もともと2人でやりきるにはハードルが高かったと思います。加えて、2024年はお互いのスケジュールがなかなか合わないことも多く、授業期間が終わった1月末からは追い込み期間として毎日西早稲田キャンパス内のラウンジや研究室にこもって作業し、基板へのはんだ付けはWASEDAものづくり工房で行いました。

片桐：帰宅後も外装を作っていたので、最終発表の2日前くらいからは全く寝ていませんでした。Patr-Owlが満足に動いたのも発表の前日で…。本当に間に合って良かったですし、やり切った結果が大賞受賞だったので、かなりうれしかったです！

ロボット制作をギリギリまでこだわった上でやりきり、大賞をいただくという体験ができたのは、自分の成長につながったと感じています。これまで出場したロボコンではやりきれなかったと思うことや結果に悔しい思いをしたこともあったので、今回のものプロへの参加は大きな成功体験になりました。

玉山：私は突き詰めるタイプで、何事も「根本を理解する」ことにこだわりがあります。この考えは、早く作れることの方が評価されがちなロボット競技において、「いらないこだわり」と周りから言われてしまうこともあり、ロボット製作への向き合い方について迷うこともありました。そんな中、短い期間で自分の方法をやり通し、チームとして納得のいくロボットで大賞をもらうことができ、とても満足しています。

――大学ではどのようなことを学んでいますか？

玉山：所属している石井裕之教授の研究室ではロボットと生物について学んでいて、生物の仕組みをロボットに応用する研究を行っています。私は総合機械工学科に所属していますが、実際にモノを製作する授業が多い学科です。他の大学だと、1・2年生では大学数学や物理化学など理系の一般教養のみを学ぶことが大半だと思いますが、早稲田では1年生から機械工学の講義や多くの実習に取り組める専門科目があり、本当に強みだと感じます。

片桐：私は岩﨑清隆教授の研究室に所属しています。医療分野に機械工学を応用する、という異分野融合系の研究室で、東京女子医大との共同施設「早稲田大学先端生命医科学センター（TWIns）」で研究を行っています。現在は人間の循環器（主に心臓や血管）をチューブやポンプなどで模擬した流体シミュレーターを作製し、動物実験での再現が難しい心不全などの病態を模擬してさまざまな現象を評価する研究に取り組んでいます。

――最後に、今後の展望について教えてください。

玉山：学外の人にもPatr-Owlを知ってもらいたいので、秋に東京ビッグサイトで開催されるMaker Faire Tokyo 2025 に参加したいと考えています。それまでに、首をかしげる、羽を広げるといった実現しきれなかったフクロウの動きを実装したいです。

個人の展望としては、ひたすら自分のやりたいことに貪欲に取り組み、新しいものを生み出す「自走する作り手」でありたいと思っています。

片桐：学部の3年間はロボコンやものプロに参加するなどロボット製作に集中していましたが、これからは研究分野である医工学の分野を全力で学び、研究に取り組んでいこうと思います。しばらくはロボットの設計とは違ったことをすることになりますが、必ずつながってくると思うので、将来的にはそれまでの知識や経験を融合させて、新しい価値を創生していけたらいいなと思っています。

第900回

取材・文・撮影：早稲田ウィークリーレポーター（SJC学生スタッフ）
人間科学部 3年　西村 凜花

たった1ステップで多環式分子を構築
70年の難題を打破する「合成ショートカット」を開発

ポイント

• 天然物や医薬品に含まれる「多環式構造^※1」を、わずか1回の反応で合成することに成功しました。
• 3種類の簡単な原料を組み合わせた「ワンポット合成^※2」「多成分反応^※3」によって、複雑な構造を効率的に構築できます。
• 多環式構造の合成反応における不安定な中間体の「o-キノジメタン^※4」を、その場で発生・活用する新手法を開発しました。
• 合成化学や創薬、機能性材料など幅広い分野への応用が期待されます。

概要

天然物や薬に含まれる「多環式構造」を簡単に作ることは、有機化学の長年の課題でした。

早稲田大学理工学術院の山口潤一郎（やまぐちじゅんいちろう）教授の研究グループと名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所（ITbM）の武藤慶（むとうけい）特任准教授は、パラジウム触媒を用いて3種類の簡単な原料から、化学的に複雑な多環式構造を一挙に構築する新手法を開発しました。

鍵となるのは、70年前に報告されて以来、合成が困難だった「o-キノジメタン」という高反応性中間体を、反応の途中でその場で生成・即座に利用する新技術です。本手法により、従来法と比べて工程数と時間を大幅に削減できることが確認されました。

本研究成果は、Cell Press 社『Chem』のオンライン版に2025年6月2日（月）11:00（アメリカ東部夏時間）に掲載されました。
論文名：Facile Generation of ortho-Quinodimethanes Toward Polycyclic Compounds

キーワード：
多環式化合物、Diels–Alder反応、o-キノジメタン、触媒反応、パラジウム、ワンポット合成、多成分反応、医薬品、天然物合成、反応設計

これまでの研究で分かっていたこと

多環式化合物は、天然物や医薬品に頻出する構造であり、その効率的な合成は長年にわたり有機合成化学の大きな目標とされてきました。中でも、「Diels–Alder反応^※5」は、複雑な環状構造を一挙に構築できる非常に強力な手法として知られています。

この反応において、特に高反応性で有用な中間体の一つが「o-キノジメタン（ortho-quinodimethane: oQDM）」です。o-キノジメタンは非常に高い反応性をもち、多環式構造の合成に適しています。しかし、高反応性の裏返しで、非常に不安定であるため、反応中に一時的に発生させて即座に利用する必要があります。

従来、o-キノジメタンを発生させるには、特殊な前駆体の多段階合成や、高温、高エネルギー条件が必要であり、反応設計の自由度や応用展開に制約がありました。この課題は、1950年代にo-キノジメタンが初めて報告されて以来、約70年にわたり解決されていませんでした。

新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと、新しく開発した手法

本研究では、これまで困難とされていた「o-キノジメタン（oQDM）」を簡便にその場で生成し、高効率に多環式化合物へと変換する合成法の確立を目指しました。

本研究グループは、汎用的な「2-ビニルハロアレーン^※6」「ジアゾ化合物^※7」「マロン酸誘導体^※8」の3種類の原料を用い、パラジウム触媒の働きにより一挙に反応させる「多成分反応（マルチコンポーネントリアクション）」を設計しました。

これは、1つのフラスコ内で複数の反応（図2の①から③）を順番に制御して行う、非常に効率的な合成手法です。まず、図中の①と②の反応が起こって、一時的に生成されるo-キノジメタンからDiels–Alder反応(③)が進み、最終的に複雑な多環式骨格をもつ分子が得られます。

本手法の特長は以下の通りです：

• 複雑な前駆体を準備する必要がなく、工程数を大幅に削減可能。
• 一回の操作で複数の炭素―炭素結合形成が進行するため、効率性が高い。
• 得られた生成物は医薬品や材料の中間体として多様な変換に対応。

研究の波及効果や社会的影響

本研究で開発された手法は、複雑な多環式構造を1工程で効率よく構築できる点において、従来の合成化学の限界を打ち破る画期的な技術です。工程短縮により、創薬や機能性材料の開発にかかる時間やコストの大幅な削減が期待されます。

さらに、今回の技術は実際に、多環式構造をもつ女性ホルモン様天然物「エクイレニン」の合成にも応用できており、医薬品開発への応用可能性も明らかとなりました。

また、使用する原料の汎用性が高く、分子の多様性が容易に制御できることから、化合物ライブラリの構築や新規分子探索にも活用が期待されます。加えて、「多成分反応」「その場生成」「ワンポット合成」といったグリーンケミストリーの要素も兼ね備えており、環境負荷の少ない持続可能な化学としての意義も大きいと考えられます。

課題、今後の展望

今回の研究では、多環式構造を高収率かつ高選択的に構築する新しい合成手法を確立しましたが、課題も残されています。現時点では反応の立体選択性（特に不斉合成^※9）に関してはまだ限定的であり、医薬品や機能性分子の精密合成に向けて、今後は「キラル触媒^※10」の導入によるエナンチオ選択的反応の実現が求められます。

また、今回使用した化合物群は実験室スケールでの検証が中心であり、今後はスケールアップやフロー合成への応用を通じて、工業的な展開可能性の検証が重要になります。

将来的には、本手法をより汎用的な合成プラットフォームとして発展させ、創薬、材料開発、学術研究といった幅広い分野への貢献を目指します。

研究者のコメント

本研究は、「細胞内で繰り広げられる目に見えない挑戦」——過酷な環境下でも栄養を届け続ける仕組み——に光を当てました。ミオシンXIが栄養輸送の“指揮者”として働くことを解明したことで、作物が痩せた土地や気候変動下でも力を発揮する可能性が拓けます。

用語解説

※1　多環式構造
複数の環状構造が結合した分子構造のこと。多くの天然物や医薬品に含まれる基本骨格であり、合成が難しいことで知られる。

※2　ワンポット合成
複数の反応工程をひとつの容器で連続的に行う手法。工程短縮や廃棄物削減につながる。

※3　多成分反応
一般的に3つ以上の分子を反応させて1つの分子を合成する反応のこと。複数の分子がつながる位置の制御が必要なため、一般的に難しいことで知られる。

※4　o-キノジメタン（ortho-quinodimethane, oQDM）
非常に反応性が高い中間体で、多環式構造を作る上で重要な構成要素。安定性が低く、通常はその場で生成してすぐに使う。

※5　Diels–Alder反応
1930年代に発見された、有機分子同士をつなげて6員環を形成する代表的な化学反応。多環式化合物の合成に多用される。開発者のDiels博士とAlder博士はこの反応の功績により1950年ノーベル化学賞を受賞した。

※6　2-ビニルハロアレーン
芳香環にビニル基とハロゲンが結合した化合物。市販されているものもあり、取り扱いやすい。

※7　ジアゾ化合物
窒素を含む高エネルギーな化合物で、化学反応において炭素–炭素結合の形成などに使われる。

※8　マロン酸誘導体
炭素–炭素結合をつくる反応でよく使われる化合物群。反応性が高く、多くの有機反応で用いられる。

※9　不斉合成
右手・左手のような鏡像関係にある分子の片方を選択的に合成すること。

※10　キラル触媒
分子の立体構造（右手・左手のような鏡像関係）を識別して、特定の方向にだけ反応を促す触媒。

論文情報

雑誌名：Chem（Cell Press）
論文名：Facile Generation of ortho-Quinodimethanes Toward Polycyclic Compounds
執筆者名：Kazuya Inagaki（早稲田大学）、Yuna Onozawa（早稲田大学）、Yuki Fukuhara（早稲田大学）、Daisuke Yokogawa（東京大学）、Kei Muto*（名古屋大学ITbM）、Junichiro Yamaguchi*（早稲田大学）
掲載予定日時（現地時間）：2025年6月2日
掲載予定日時（日本時間）：2025年6月2日（予定）
掲載URL：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2025.102615
DOI：10.1016/j.chempr.2025.102615

研究助成

研究費名： 日本学術振興会 科学研究費補助金（JSPS KAKENHI）
研究課題名： 結合交換反応の開発と機械学習最適化
研究代表者名： 山口潤一郎（早稲田大学）
助成番号： JP21H05213（Digi-TOS） 

研究費名： 日本学術振興会 科学研究費補助金（JSPS KAKENHI）
研究課題名： 触媒的かつ収束的なオルトキノジメタンの発生法と迅速多環式骨格構築
研究代表者名： 武藤慶（名古屋大学ITbM）
助成番号： JP24K01491

その他、JST ERATO JPMJER1901やCREST JPMJCR24T3も一部ご支援をいただきました。

小型軽量テラヘルツ帯アンテナサブシステムを開発し、
飛行中の航空機と地上実験局との間で高速データ通信に成功

国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構（理事長：山川　宏、以下「JAXA」）研究開発部門センサ研究グループらと、学校法人早稲田大学（理事長：田中 愛治、以下「早稲田大学」）理工学術院の川西　哲也教授の研究グループは、高高度プラットフォーム(以下「HAPS」)^※1に搭載可能な小型軽量テラヘルツ帯^※2のアンテナサブシステム（通信用アンテナ、アンテナ追尾システム）および受信機を開発し、高度約3kmを飛行中の航空機に搭載して、アンテナを地上に向けて自動追尾させながら、地上と上空間の高速大容量通信（データ通信速度4Gbps）を実証しました（図１）。高速飛行中の航空機と地上実験局との間のデータ通信において、テラヘルツ帯の電波を用いた高速大容量通信に成功したのは今回が世界初^※3となります[1]- [6]。

本研究で得られた成果をもとに、HAPSと地上との通信の大容量化が実現出来れば、地上で使用されているネットワーク回線（LAN）レベルの高速通信を上空まで延伸させたように活用することが可能になり、大規模災害時の広域通信基地局、山間部や離島への高解像度の映像の伝送など、上空の通信網を使った多様なサービスの創出が期待されます[7]。

【開発・実験の詳細】

本研究では、92GHzから104GHzのテラヘルツ帯をカバーする高利得アンテナ（利得40dBi以上）を、新たに開発した宇宙用の高精度な複合材（CFRP^※4）にプラズマ溶射^※5の技術を応用して電磁波反射面を形成するとともに、飛行する航空機から地上実験局が位置する定点方向に自動的にビームを誤差0.2度以下で向け続けることが出来るアンテナ追尾機構を開発しました（以下、アンテナサブシステムという）。

本アンテナサブシステムは、将来のHAPS搭載を目指した試作装置であるため、航空機搭載品としての安全性を満たすとともに、-52℃～+40℃の温度範囲で動作するように設計しました。また、アンテナ追尾のための可動機構部を含めた高利得アンテナ部全体（図2、機体外搭載品）の重量は20kg以下になっています。

通信実験では、実験用航空機（ダイヤモンドエアサービス社が運用するビーチクラフト式200T型を使用）の機体下部にある既設のレドーム^※6内にアンテナサブシステムを搭載し、アンテナ自動追尾制御装置、テラヘルツ帯の通信実験装置は航空機のキャビン内に搭載しました（図3）。搭載された高利得アンテナは、アンテナ背面に取り付けた全地球航法衛星システム(GNSS)^※7の受信機と慣性航法システム(INS)^※8からの情報に基づき、飛行中に逐次、アンテナの方向を地上実験局に対して指向誤差が0.2度以下になるように自動制御しました。

今回の通信実験では、テラヘルツ帯の地上実験局（関宿滑空場千葉県野田市）用として1.2m口径のカセグレンアンテナを取り付けたアンテナ駆動架台を開発しました。地上実験局には、航空機のキャビンに搭載した通信実験装置と同じ構成となる通信実験装置を地上局アンテナと組合せて設置しました。本実験で使用した通信実験装置は、この実験に先行して地上で実施した長距離・大容量伝送実験（地上実証試験）[7]と同じものを使用しています。地上での伝送実験では、アンテナは固定されていましたが、本実験では、航空機の高度や姿勢変動の影響下で、高速で飛行する航空機から地上局を高精度に連続的に追尾させることが可能なアンテナ自動追尾制御装置の性能検証にも成功したことになります。

通信実験での周波数帯は95.375GHz～96.625GHz(中心周波数96GHz、帯域幅1.25GHz)とし、実験試験局の免許を取得し、地上実験局の空中線電力を約250mWに制限して通信試験を実施しました。

実験用航空機は地上実験局の北側2kmを東から西への方向の高度2,896mを直線飛行と旋回飛行させました。この場合、地上局と航空機の直線距離は最短で3.5kmとなります。なお、航空機の対地速度は300km/h前後でした。

地上実験局のアンテナは、パン・ティルト・ズームのリモート制御機能を持つPTZカメラ（方向とズームを遠隔制御出来るカメラ）を用いて、撮影された航空機が画像の中央に位置するように航空機を自動追尾撮影するともに、地上実験局アンテナのビーム方向をPTZカメラの視野方向と同調させるように制御して、地上実験局アンテナの航空機追尾を行いました。

本通信実験では航空機と地上実験局との間に速度変化があるため、ドップラー効果で周波数が変化し、かつ、薄雲の影響で減衰量も変化する状態下で、帯域幅1.25GHzに対応するシンボルレート1Gシンボル/秒の条件において、変調方式QPSKおよび16APSKによる変復調動作での確認を行い、伝送速度4Gbpsの達成を確認しました。

次世代移動通信システムBeyond5G/6G^※9システムにおいては、非地上系ネットワーク(NTN)^※10と地上間の大容量通信を行うフィーダリンク^※11の一部を、テラヘルツ帯を用いた高速通信が担うことが期待されています。我々の研究グループは、92.25GHz～103.75GHz間に帯域幅1.25GHz（4Gbps）の通信チャンネルを6チャンネル配分することで、伝送速度20Gbps以上のフィーダリンクを提案しています。テラヘルツ帯を用いることで、少雨時でも所要CN比^※12が小さくなるような変調方式を自動選択させ、2Gbpsx6チャンネルにより10Gbpsの伝送速度を可能としています。

今後は、同時並行で開発を進めていた空中線電力1Wの増幅器を活用し、距離20kmにおいて伝送速度20Gbpsの通信達成に向けて研究を進めるとともに、HAPS等に搭載してフィーダリンクの実証を目指します。

【研究プロジェクトについて】

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(JPJ012368C00302およびJPJ012368C04901)、および科学技術振興機構の先端国際共同研究推進事業ASPIRE (JPMJAP2324)により実施したものです。

【各機関の主な役割】

JAXA：テラヘルツ帯の高利得アンテナサブシステムの開発
早稲田大学：テラヘルツ帯に対応した送受信機の開発

【用語解説】

※1 HAPS
High-Altitude Platform Stationの略称。高度約20km上空の成層圏を数日〜数か月の長期間に渡って無着陸で飛行できる無人航空機を指します。

※2 テラヘルツ帯
おおむね周波数100GHzから10THz(波長にして3mm-30μm)の電磁波領域を指す。下限については、2019年に米連邦通信委員会（Federal Communications Commission、FCC）が、新しい技術の開発やサービス展開に向けて、95GHzを超える周波数帯の利用に対する新ルールを発表していることから[3]、95GHz程度の周波数も含みます。

※3 世界初
地上と上空間の通信ではE帯（71GHzから86GHz）を使った通信実験例が最も高周波でした。今回の地上と上空間の通信実験では、W帯（95GHz）を利用して4Gbps以上の伝送速度を達成しており、テラヘルツ帯を含む周波数での地上と上空間の通信では世界初になります。

※4 CFRP
Carbon Fiber Reinforced Plastics（炭素繊維強化プラスチック）の略称。炭素繊維を樹脂（主にエポキシ樹脂）で固めた複合材料を指します。 軽くて強い、変形や熱膨張が少ない材料として、航空機、自動車などで使用されています。テラヘルツ帯の宇宙用アンテナでは広い温度範囲で形状の変形が少なくなるように、炭素繊維が一方向のものを繊維の方向を変えながら積層させて膨張や収縮が一様になるように製造し、さらに使用する樹脂の種類や炭素繊維の含有率を特別にチューニングしています。

※5 プラズマ溶射
プラズマアークを利用して溶かした金属材料を高速で基材に吹き付けて皮膜を形成させる技術のこと。

※6 レドーム
レドーム（radome）は、レーダなどのアンテナを格納し、風雨や太陽光から保護するためのカバーを指します。航空機用のレドームはアンテナを高速の気流から防御した上で機体の空気抵抗を小さくする形状をしています。レドームの素材には電波の透過率が高いグラスファイバーやポリテトラフルオロエチレン（PTFE）などの誘電体が用いられます。

※7 全地球航法衛星システム(GNSS)
Global Navigation Satellite System（全地球測位衛星システム）の略で、GPSを含む複数の人工衛星からの電波を利用して現在位置を計測するシステムを指します。

※8 慣性航法システム(INS)
INS (Inertial Navigation System : 慣性航法装置）は、慣性空間における運動加速度及び角速度を検出して、航空機 の現在位置と速度を計測する装置を指します。

※9 Beyond5G/6G
近年、普及が進む移動通信システムは第5世代(5G)とよばれています。これに対して、次世代システムのBeyond5Gでは第6世代(6G)の移動体通信システムでは、5Gと比べ、「10倍から100倍の大容量」、「1/10の低遅延」、「10倍の多数同時接続」、「1/100の低消費電力」の実現を目指しています。

※10 非地上系ネットワーク（NTN：Non-Terrestrial Network）
地上、海、空にある移動体間を多層的につなげる通信ネットワークシステムのことを指します。

※11 フィーダリンク
地上局をゲートウェイとして高度プラットフォームシステムなどの飛行体や衛星との間で通信を行う一対一の大容量通信回線のこと。

※12 CN比
通信における搬送波と雑音の強度比（キャリア対雑音比）で、信号の品質を示す指標のことで値が大きいほど良い品質となる。

【参考文献】

[1] HAPSモバイル、”世界初！HAPSモバイルとLoon、成層圏飛行中のLTE通信に成功　～Sunglider のテストフライト中に、無線機を通してビデオ通話を実施～”、2020年10月、 https://www.softbank.jp/corp/set/data/news/press/group/pdf/press_20201008_02.pdf
https://www.softbank.jp/en/corp/set/data/news/press/group/pdf/press_20201008_02.pdf

[2] 国立研究開発法人情報通信研究機構、プレスリリース、”世界初、高度約4km上空から38GHz帯電波での5G通信の実証実験に成功”、2024年5月、https://www.nict.go.jp/press/2024/05/28-1.html

[3] NTT docomo、”ケニア上空の高度約20kmの成層圏を飛行するHAPSを介したスマートフォンへのデータ通信実証に成功”、2025年3月、https://www.docomo.ne.jp/info/news_release/2025/03/03_00.html

[4] H. Kitanozono, J. Suzuki, Y. Kishiyama, Y. Hokazono, T. Sotoyama, M. Ouchi, R. Miura, and H. Tsuji, “Development of high altitude platform station backhaul system using 38GHz band frequency,” in 2021 IEEE VTS 17th Asia Pacific Wireless Communications Symposium (APWCS), Japan, 2021, pp. 1-5.

[5]　G. Otsuru, H. Tsuji, R. Miura, J. Suzuki, and Y. Kishiyama, “Efficient antenna tracking algorithm for HAPS ground station in millimeter-wave,” in 2022 25th International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC), Denmark, 2022, pp. 261-266.

[6] Q. Tang, A. Tiwari, I. del Portillo, M. Reed, H. Zhou, D Shmueli, G. Ristroph, S. Cashion, D. Zhang, J. Stewart, P. Bondalapati, Q. Qu, Y. Yan, B. Proctor, and H. Hemmati., “Demonstration of a 40Gbps bi-directional air-to-ground millimeter wave communication link,” in IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 2019, pp. 746-749.

[7] 早稲田大学、宇宙航空研究開発機構、”テラヘルツ帯に対応した無線通信システムを試作し、95GHz帯を用いた長距離・大容量伝送に成功”、2025年3月、
https://www.jaxa.jp/press/2025/03/20250311-2_j.html

ヒトと社会の未来を想う深遠なるロボット工学の世界

なぜヒト型でなければならないのか。約60年前、故・加藤一郎教授によって研究が始められて以来、各界からの問いに応えるかのように進展を続けてきた日本発のヒューマノイド（人間型ロボット）開発。早稲田大学はその起点となり、産学の英知を交えながら世界の研究をリードしてきました。ヒューマノイド研究所所長の高西淳夫教授に振り返っていただきます。

◆早稲田が切り拓いてきた人間型ロボットの最前線

──早稲田大学はヒューマノイド（人間型ロボット）の研究で世界をリードしてきました。これまでの経緯についてご紹介ください。

日本のロボット工学を切り拓いた故・加藤一郎教授によって、ヒューマノイドに関する最初の研究が早稲田大学で始まったのが1960年代の後半でした。学科横断の「WABOTプロジェクト」が70年に立ち上がり、73年には世界初のヒト型二足歩行ロボット「WABOT-1」が完成。84年になるとピアノを演奏する「WABOT-2」が登場して、翌年の「つくば科学万博」にも出展されました。この２体のロボットは今も西早稲田キャンパスの63号館に展示されています。

加藤先生の研究室で私が初めてロボット工学に触れたのは77年。理工学部の学生でした。それから大学院に進み、加藤先生のもとで研究を続けながら、新しい要素技術を織り込んだロボットシステムが次々に生まれる場に立ち合いました。ネットワークと接続可能な二足歩行ロボットの「WABIAN」や、人間の発声メカニズムを再現した発話ロボット「WT」、人間らしい情動を全身を使って表出する「KOBIAN」というように。

初期のヒューマノイドはもちろん、今の先端技術からすれば動きもぎこちなく稚拙なものでしたが、それでも世界に前例のない革新的な挑戦であったことは間違いありません。加藤先生は偉大な業績を遺して94年に逝去されましたが、私たちがその遺志を継ぎ、ヒューマノイドに関する多くの基盤技術と、それを支える有能な人材を数多く送り出してきました。ヒューマノイド研究所が発足したのは2000年４月。高度情報化社会における人間と機械の新しい関係を追究するその精神は、2020年にプロジェクト研究所として新たに発足した現在のヒューマノイド研究所にも綿々と受け継がれています。

──1960年代といえば、まさに「鉄腕アトム」の時代ですね。加藤先生はロボットが「人間型」であることにどんな意味を求めたのでしょうか。

当時の日本は高度経済成長期を迎え、製造業が勢いよく成長を始めた時期でした。エンジニアリングの技術が進展し、オートメーションによって工場の生産力はどんどん上がっていきました。おそらく製造業はこのまま伸びていく。では、その次を担う技術、応用できる分野は何だろう。そう考えたとき、加藤先生が着目したのがサービス産業だったといいます。

サービス業の担い手は人間です。その技術を開発するには、人間の身体の動かし方や五感の使い方といったものを工学的に解明する必要がありました。しかし、そのような先行研究は世界中のどこにもありません。ならば、自分たちで「ヒト」をつくってみよう。そんな発想が出発点になりました。

その頃、ヒトの手や腕の動きを代替するような産業ロボットはすでに出はじめていましたが、足や脚は未開発です。そこで、まず股関節や膝、足首などの動きを機械で再現し、次にそれを左右に並べて二足歩行の原型をつくる。さらにそこに上半身をつなげて全体を一つに統合する。そんな手順でヒューマノイドの研究が進んでいきました。

◆人間とロボットが共存する社会の到来に向けて

──身体の動きや情動についての研究がベースにあるということは、関連する課題やテーマも多岐にわたって広がりそうです。

そうですね。最初はサービス業での応用を念頭に始まった研究ですが、いろいろと追究していくと、ロボット工学の視点から人間そのものを理解することへと、アプローチの幅が広がっていきました。すると工学だけでなく、サイエンスの視点も必要になる。人間を科学するための道具としてのヒューマノイド。加藤先生がそんなふうにおっしゃっていたのを覚えています。先生はのちに、早稲田で人間科学部の創設にも携わりました。

そもそもヒューマノイドは、人間と同じような行動パターンを持ち、人間と同じ生活空間で作業をともにしながら違和感なく共存することを目標とするロボットです。家事や介護、スポーツ、エンターテインメントといった、日々の暮らしに密着した領域に広く役立つものでなければなりません。工学はもとより、生物学や心理学、医学、社会学など、人間に関わるあらゆる学問分野との連携が求められるのもそのためです。

──ホンダが2000年に発表した二足歩行ロボット「ASIMO（アシモ）」の登場は、そんな未来を予感させるような出来事でした。

ヒューマノイドが社会に認知される一つのきっかけになりましたね。ホンダはそれ以前にも「P2」「P3」という試作版を発表して、世界の研究者から注目を浴びました。90年代にはそうした企業の開発も盛んになり、ソニーからも99年にペット型ロボットの「aibo（アイボ）」が出て、翌年にはヒューマノイドの「Qrio（キュリオ）」が発表されました。実はその開発過程で早稲田の研究チームにも声が掛かり、私もよく加藤研究室の先輩たちが働くソニーの研究所に通ったものです。そうした先見の明ある企業との共同研究は本当にありがたく、今思い出しても感謝の念に堪えません。

というのも、80年代ぐらいまではヒューマノイドに対する世界の目は厳しく、ヒト型の機械が現実社会の中に入っていく未来は考えられないといった見方が大勢でした。私も学生時代、なぜ役に立たないものを研究するのかと言われたほどです。二足歩行のロボットなんて必要ない、車輪とキャタピラを使えばいいだろうと。

ですが今、周知のようにヒューマノイドは世界中から注目され、米国や中国の資本が巨額を投じて開発を進めるようになりました。トレーニングやリハビリテーションの分野でも期待されています。「ロボカップ」をご存じですか？　自律移動型ロボットによる競技会で、2050年までにサッカーの世界チャンピオンチームと戦って勝つことを目標にしている活動です。そんな夢のような話も生まれるほど、いろいろな分野へと発想が広がってきています。

◆スポーツ、医療、農業など、限りなく広がるロボット活用の可能性

──高西先生ご自身はどのような研究を中心になさってきたのですか。

以下の２つの視点に沿って研究を進めてきました。
①ヒトの形態と機能を模したヒューマノイドを設計・製作し、これを用いて心身両面における人間の行為・行動や機能を再現することで、ヒトの工学モデルを構築する「ロボット工学的人間科学」
②その応用として医療・福祉・災害対応・教育支援など、人間に関わるロボットシステムに関する演繹的設計論の構築を目指す「人間モデル規範型ロボット工学」

具体的なテーマを細かくいえば枚挙にいとまがないのですが、わかりやすいところで挙げると、スポーツの訓練や医療教育、農作業支援などに関する研究開発があります。これらはプロジェクト研究所としてのここ５年間の活動テーマにも合致するものです。

まずスポーツ分野では、投擲や跳躍・走行、重量物の持ち上げといった基礎的な運動動作の再現を目指し、ヒューマノイドを用いて動きの大きさやスピードを変化させた実験を行っています。具体的には、ボールのピッチングを可能にするロボット上半身部の開発。腰のひねりを生かしつつ、肩の弾性や腕の振りを効果的に使って体幹部から手先へとエネルギーを伝達する投球の仕組みを再現しました。こうした研究はスポーツ科学の研究者と連携することにより、例えば大谷翔平選手のようなスーパーアスリートの養成にも生かせるでしょう。

医療分野では、臨床手技の実習に使える患者ロボットを開発し、熟練者の動作や知覚、意図するところを訓練者にフィードバックする方法について研究しています。ロボットによる症例の再現や、手技の評価にもつなげます。例えば、妊婦さんが分娩する際の緊急時に備えた新生児蘇生法というのがありますが、そのトレーニングシステムを開発し、日本ロボット学会から優秀講演賞（2020年度）と優秀研究賞（2021年度）をいただきました。

また、農業関連では太陽光発電に使うパネルの下が空洞になっていることに着目し、ロボットを活用してここで農作物をつくることで、緑化によるCO2吸収とエネルギー生産を両立させるプロジェクトを始めました。畑の畝に沿ってロボットを自律走行させたり、収穫物を認識して摘み取ったり、雑草を選り分けたりといった作業を可能にする技術の基礎研究を進めています。

──企業との共同研究で製品化され、実際に販売されているロボットもありますね。

はい。医療教育用では特にそうした事例が多いですね。もともとは治療そのものに使える手術ロボットなどの開発を進めていて、その分野でも日本が世界に先駆けていたのですが、残念ながら今は欧米や中国に水をあけられているのが実状です。日本の場合はどうしても社会制度を整えるのが後追いになりがちですから、出発点はよくても社会に実装されるまでに時間がかかり、気がつけば海外に先を越されていたということがあるんですね。そこで、我々もある時点で教育用に舵を切りました。

最初に手掛けたのは、外科手術のための縫合手技評価シミュレータです。手術の後の縫合は針掛けと糸結びの連続ですが、熟練した外科医のようにできるまでには相応の訓練が必要です。医学生が自分で練習して評価も得られる機械があれば役立つだろうと、京都科学という医学・看護教育教材で知られる企業と一緒に開発しました。人間の皮膚を模した素材にセンサーを埋め込み、手技を実践しながら技能の度合いを計測・評価することができます。これは10年ほど前に製品化され、今も同社で販売しています。

歯学部生の実習用に開発したデンタロイドもあります。患者ロボットですね。音声認識機能を持たせ、指示に従って口を開けたり顔の向きを変えたりする。患者さんの咳き込みや、反射的に嘔吐しそうになる様子も再現可能なシミュレータです。こちらは昭和大学や工学院大学の協力も得て、オキノ工業ロボティクスという企業が持つ特許技術をもとにテムザック社によって製品化されました。

◆学術界、産業界で活躍するWASEDAの人とテクノロジー

──いろいろな研究者や専門家、企業との連携によって、ヒューマノイドの活躍の場が広がっているのですね。

そうですね。かつては散々な言われ方をした時期もありましたが、懸命に努力をして研究を続けていると、こうして声を掛けてくださる人たちが現れ、だんだんと仲間が増えていく。天上の加藤先生も満足しておられるんじゃないかな。苦労をともにしてきた方々とは今も年に何度か顔を合わせ、食事をしながら意見交換をしています。世の中の動きを見て、これからどんなロボットが求められていくのだろうかと。

──何か新しい展開を考えておられるのですか？

私自身は間もなくして定年を迎えたら研究室を閉めることになりますが、後に続く研究者がどんどん育ってきています。外国からここに来て学び、新しいことを始めた人も大勢います。中国とドイツの学生が卒業後に立ち上げた、LP-RESEARCHというベンチャー企業もその一つです。VR（仮想現実）やAR（拡張現実）といった分野に用いるセンシングシステムを開発しています。今ここにいる林家宇（Lin, Jia-Yeu）さんは台湾から来ていて、人間型サキソフォン演奏ロボットなどの研究で博士号を取りました。今は創造理工学部の講師です。

こういう有能な若い世代が、それぞれの専門を生かして社会に役立つ新しい技術をつくっていってもらえたらうれしいですね。それには人間や社会に関する研究が欠かせません。そこで生まれた発見が、新しい機械の発想へとつながっていく。例えば、車椅子に代わる二足歩行ロボット椅子や、被災地で役立つ災害対応ロボットのように。そしてそれを実社会に組み込むための制度づくりを、行政が迅速に進めてくれることを望みます。

寝具が睡眠中の暖かさに与える影響を定量化
良質な睡眠を得る環境条件に新たな知見

ポイント

• 良質な睡眠を得る方法を示すため、寝室の温熱環境と寝具の熱抵抗（保温性能）について定量的な測定・検証を実施しました。
• 寝具の熱抵抗や周囲温度に応じた暖冷房の効果を部位ごとに求め、同じ着衣および掛布団の組み合わせでも寝姿勢や掛布団のかけ方によって皮膚温が異なることを定量的に明らかにしました。
• 実験では、22.6℃の環境下で着衣や掛布団の種類およびかけ方の組み合わせにより8.5℃相当の調整が可能であることが分かりました。

概要

早稲田大学スマート社会技術融合研究機構 研究助手の秋元 瑞穂（あきもと みづほ）、同大学理工学術院教授の田辺 新一（たなべ しんいち）およびデンマーク工科大学の研究者らのグループは、寝具が睡眠中の暖かさに与える影響についてサーマルマネキンおよび人体モデルによる測定と検証を行いました。その結果、同じ着衣および掛布団の組み合わせでも、睡眠中の姿勢や掛布団のかけ方によって皮膚温が異なることが定量的に明らかとなり、良質な睡眠を得るための環境条件についての新たな知見が得られました。

本研究成果は、Elsevier社発行の国際学術誌『Building and Environment』（論文名：Effect of Bedding on Total Thermal Insulation in Different Sleeping Postures Measured with Thermal Manikin and Modelled with JOS-3）の2025年7月1日（火）発行号に掲載される予定で、オンライン版が2025年4月26日（土）に公開されました。

キーワード：
睡眠、寝具、暖かさ、サーマルマネキン、人体モデル、等価温度、姿勢

これまでの研究で分かっていたこと

睡眠の質の低下は免疫力や日中のパフォーマンスに悪影響を及ぼすことが報告されており、良質な睡眠の確保は喫緊の課題となっています。寝床内環境^※2は、良質な睡眠に必要とされる快適な温熱条件を確保する上で重要です。この寝床内環境を形成する要素には、周囲の温度や湿度、人体から発生する熱、そして寝具の保温性能が含まれます。

本研究では、サーマルマネキン^※3による測定と、人体体温調節モデルJOS-3^※4を用いたシミュレーションを通じて、これらの要素の相互関係を検討しました。

研究の方法と明らかになったこと

周囲温度、睡眠時の姿勢、着衣、掛布団の種類およびかけ方についてさまざまな組み合わせの影響を検討し、寝具の熱抵抗^※5を調査しました。また、サーマルマネキンに基づく等価温度^※6を算出することで、寝具の熱抵抗や周囲温度に応じた暖冷房の効果を示し、JOS-3モデルに基づく等価温度の算出により発汗の影響も考慮しました。さらに、寝具による全身および局所の熱的影響について、その結果を考察しました。

例えば、図1に示す通り、全身平均の熱抵抗は身体とマットレス・枕・掛布団の接触体表面積割合が高くなるほど上昇する傾向（図１赤枠内）が確認されました。部位ごとの比較では仰臥位において腰部 背面、頭頂部、首後部、左右の背部といったマットレス接触面で熱抵抗が大きくなる傾向がみられる一方で、より掛布団との接触面が大きい側臥位では全体的に熱抵抗があることがわかります。寝具の熱抵抗は全身一様ではないため、寝姿勢・着衣・掛布団の種類およびかけ方に応じた局所的な温熱環境の評価が重要であることを明らかにしました。

また、サーマルマネキンによる測定とJOS-3シミュレーションを用いて、発汗を伴わずに寝具だけでどれだけの暖かさの調整ができるかを検討しました（図２）。たとえば、22.6°Cの環境下において、1.10～2.16 cloの範囲（図２赤枠内）で着衣や掛布団の種類およびかけ方を調整することは、等価温度で14.5～23.0°Cに相当し、寝具だけで約8.5°Cの調整が可能であることが読み取れます。

研究の波及効果や社会的影響

本研究の成果は、寝室の温熱環境と寝具の熱抵抗について定量的な測定を行い、その影響を明らかにしたことです。近年の気候変動による夜間の気温上昇を背景に、寝室環境におけるオーバーヒート対策は優先すべき課題です。睡眠中の暑熱ストレスのリスク評価にあたり、寝具の熱抵抗やその影響に関する知見は非常に実用性が高いといえます。

今後の展望

本研究グループでは実際の寝室での実態調査も行っており、これらの調査と本研究で得られた寝具の影響を組み合わせることが重要になると考えています。また、近年、高い吸湿性能をもつ繊維素材を含んだ寝具が開発されていることを踏まえると、今回使用したものとは異なる特性をもつマットレスや着衣、掛布団を用いたさらなる調査が必要です。水分含有量や相対湿度が寝具の断熱性に与える影響についても、より詳細な検討が期待されます。

今回の実験から得られたデータを用いて、より実際に近いシミュレーションモデルを作成するなどして、良質な睡眠に関してより幅広く研究を進めてまいります。

用語解説

※1　接触体表面積割合
掛布団のかかり具合を数値化するために提案された、仰臥位における全身の体表面積に対する身体とマットレス・枕・掛布団の接触体表面積割合を意味します。本研究では、着衣や掛布団に関する条件間の比較が目的であるため、パジャマの有無や寝姿勢の変化は接触体表面積割合に影響しないと仮定しています。

※2　寝床内環境
掛布団によって覆われた内側に形成される環境を意味します。

※3　サーマルマネキン
サーマルマネキンは衣服の熱抵抗測定のために作られた人体形状を有する発熱体であり、人間の着衣状態における衣服の温熱特性を再現させるためのダミーです。

※4　JOS-3（Joint system thermoregulation model）
早稲田大学田辺新一研究室グループにより開発された人体体温調節モデル。皮膚温、深部体温、発汗量などの人体の熱生理反応を、全身および17部位の局所においてシミュレーションするための数値モデルです。

※5　寝具の熱抵抗
皮膚表面から寝具の外表面までの熱抵抗を意味し、本研究においては着衣・マットレス・枕・掛布団による保温性能を意味します。特に衣服の熱抵抗値は着衣量と呼ばれ、クロ（clo）という単位で表されます。1 cloは男性の厚手のビジネススーツの衣服組み合わせに相当し、数値が大きいほど暖かいことを意味します。

※6　等価温度
人体からの発熱や人体形状を考慮した体感温度の指標。

論文情報

雑誌名：Building and Environment
論文名：Effect of bedding on total thermal insulation in different sleeping postures measured with thermal manikin and modelled with JOS-3
執筆者名(所属機関名)：秋元 瑞穂*(早稲田大学)、篠田 純(デンマーク工科大学)、Mariya P. Bivolarova(デンマーク工科大学)、田辺 新一(早稲田大学)、Pawel Wargocki(デンマーク工科大学)
論文掲載予定日：2025年7月1日
掲載URL： https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2025.113074
DOI：10.1016/j.buildenv.2025.113074

研究助成

研究費名：科研費　特別研究員奨励費22KJ2956
研究課題名：室内環境が良質な睡眠に与える影響に関する研究
研究代表者名（所属機関名）：秋元瑞穂（早稲田大学）

研究費名：ASHRAE 1837-RP
研究課題名：The Effects of Ventilation in Sleeping Environments
研究代表者名（所属機関名）：Pawel Wargocki（デンマーク工科大学）

このたび、早稲田大学の研究者6名が、科学技術分野で顕著な功績があったとして、「令和7年度 科学技術分野の文部科学大臣表彰」を受賞しました。

日本の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開発を行った者を表彰する「科学技術賞 研究部門」では、240件の応募から52件（69名）が選ばれ、人間科学学術院の浅川達人教授、政治経済学術院の齊藤有希子教授および多湖淳教授、理工学術院の辻川信二教授および森達哉教授が受賞しました。
また、青少年をはじめ広く国民の科学技術に関する関心及び理解の増進等に寄与し、又は地域において科学技術に関する知識の普及啓発等に寄与する活動を行った者を表彰する「科学技術賞 理解増進部門」では、26件の応募から9件（29名）が選ばれ、理工学術院の田中香津生主任研究員が受賞し、部門を代表して壇上で表彰を受けました。

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：標本調査と社会地区分析の結合によるフードデザート問題研究
人間科学学術院　浅川 達人　教授

受賞コメント
この度は、文部科学大臣表彰・科学技術賞（研究部門）をいただきまして、誠に光栄に存じます。まずは、推薦および評価に関わってくださった全ての関係者のみなさまに謹んでお礼申し上げます。

本研究では、都市社会学研究と階級・階層研究を結びつけ、地理学や栄養学とも協働しつつフードデザート問題という社会問題の解決に向けて研究、提言して参りました。複眼的・学際的な研究を、アカデミズムに閉じることなく社会問題の解決に向けて取り組んできた点を評価していただけたものと、大変光栄に感じております。このような研究活動に取り組むことができたのも、都市社会学という自分の専門分野のみならず、他分野のみなさまから複数の共同研究プロジェクトにお誘いいただき、議論を交わす機会を与えていただいたからであり、これまでの共同研究に関わってくださった全てのみなさまに心より感謝申し上げます。今後も変わらぬご指導、ご鞭撻のほど、何卒よろしくお願い申し上げます。

受賞業績：地理空間上の企業間ネットワークとマクロ経済変動の研究
政治経済学術院　齊藤 有希子　教授

受賞コメント
この度は、文部科学大臣表彰・科学技術賞（研究部門）を戴きまして、光栄に存じます。これまで、様々な形でサポートして下さった方々に感謝しております。

学生時代は物理学を学んでいましたが、自然科学と社会科学に共通して現れる普遍的現象に興味を持ちました。物理学において、ミクロな粒子の相互作用からマクロな特性が説明されるように、経済学においても、ミクロな企業間のネットワークからマクロ現象が説明されます。個々の企業がどのような意思決定のもと、ネットワークを構築し、利益を得るのか、地理空間との関係、波及のメカニズムを明らかにしてきました。

経済学は経世済民。これからも、「Cool heads but Warm hearts」で研究活動、教育活動に尽力したいと思います。

受賞業績：サーベイ実験の非欧米圏での実証と比較を通じた国際政治研究
政治経済学術院　多湖 淳　教授

受賞コメント
文部科学大臣表彰・科学技術賞（研究部門）を受賞することがかない、誠に光栄に存じます。2019年2月に「非覇権国の視点の導入を通じた国際政治学の科学的研究の拡張」という選定業績のもと、日本学術振興会賞を戴きましたが、今回の受賞テーマは特に国際政治学分野における実験手法の応用に関して評価をいただいた結果となります。2015年のBritish Journal of Political Science論文からはじまり、サーベイ実験の手法で書いてきた論文はすべて複数著者によるものです。共同研究を一緒に実施してくださった先生方・共著者のみなさんに厚く感謝の気持ちを申し上げます。今回の受賞を励みとしてさらに精進したいと思います。今後も変わらぬご指導、ご鞭撻の程、何卒よろしくお願い申し上げます。

受賞業績：宇宙の創世から現在の加速膨張に至る包括的な宇宙論の研究
理工学術院　辻川 信二　教授

受賞コメント
この度は、文部科学大臣賞・科学技術賞 (研究部門)をいただき、大変光栄に存じます。私の研究は、宇宙の創生から現在に至る進化を、相対性理論やそれを拡張した理論をもとに解明するものです。私が大学院生であった1990年代の後半から、超新星や宇宙背景輻射などの観測によって、宇宙初期と後期に起こったとされる２回の加速膨張の物理が検証できるようになってきました。私の研究は、宇宙初期のインフレーションと現在の加速膨張を引き起こす暗黒エネルギーの起源を、多様な観測データを用いて明らかにしようとするものです。国内外の多くの共同研究者の協力も得て、理論的に有効な模型の構築と観測データから模型に制限をつける数値コードの開発を行い、観測的に好まれる模型を選別することが可能になりました。今後も、重力波を始めとする様々な観測が進行中であり、理論と観測の双方から宇宙の創生と進化の謎を明らかにしていきたいと思います。今までご協力・ご助言をいただきました皆様に感謝申し上げるとともに、今後も変わらぬご指導を何卒よろしくお願いいたします。

受賞業績：能動的セキュリティ対策技術に関する研究
理工学術院　森 達哉　教授

受賞コメント
この度は、文部科学大臣表彰・科学技術賞（研究部門）を賜りまして、誠に光栄に存じます。学生時代、商用インターネットの黎明期を経験したことがきっかけで情報技術に強い関心を持つようになりました。そして、情報技術が普及・発展するとともに、これらの技術が必ずしも正当な目的にのみ使われるわけではないことに気づき、セキュリティ研究へと関心が向かいました。

当初は防御技術に焦点を当てていましたが、真に効果的な対策には「攻撃者の思考」を理解する必要があると考え、オフェンシブセキュリティの研究に取り組んでまいりました。この分野では、システムやサービスの脆弱性を科学的な方法論で検証し、根本的な対策技術を開発することが不可欠です。

人工知能や自動運転車など新興技術を対象としたオフェンシブセキュリティの研究で成果を上げることができたのは、多くの共同研究者と学生の協力あってこそです。この場をお借りして心より感謝申し上げます。

科学技術賞　理解増進部門

受賞業績：中高生を対象とした素粒子探究活動の普及啓発
理工学術院　田中 香津生　主任研究員

受賞コメント
この度は、文部科学大臣表彰・科学技術賞（理解増進部門）を頂きまして誠に光栄です。

私は6歳ごろから素粒子に魅せられ、関連する本を読み漁りましたが、高校生になっても本を読む以外にできることがないことに悶々としておりました。その後、技術発展で手のひらサイズの素粒子検出器が作れるようになり、このような中高生に探究の機会を提供したいという思いから、素粒子検出器の貸与とオンラインによる探究サポートを始めました。

その後、コロナ禍で直接会ったことがない状況にもかかわらず、参加した中高生はさまざまな興味深い探究を生み出してくれました。この経験を通じ、検出器に加えて、オンラインを通した仲間や研究者とのつながりがあれば、これまで「本の中の世界」であった素粒子探究を中高生でも楽しめるようになると確信しました。

この取り組みは国内外の研究者によるご助力、大学生メンターの献身的なサポート、参加した中高生の想像を超える活力によって支えられてきました。この場をお借りして心より厚く御礼申し上げます。また、さらなる機会創出のため、これからも多くの方々にお力添えいただければ幸甚に存じます。

Ultrafast Multivalley Optical Switching in Germanium for High-Speed Computing and Communications

Researchers demonstrate ultrafast transparency switching across multiple wavelengths using single laser excitation in germanium

Multicolored optical switching is essential for potential advancements in telecommunication and optical computing. However, most materials typically exhibit only single-colored optical nonlinearity under intense laser illumination. To address this, researchers have demonstrated that exciting the multivalley semiconductor germanium with a single-color pulse laser enables ultrafast transparency switching across multiple wavelengths. This breakthrough could drive the development of ultrafast optical switches for future multiband communication and optical computing.

Opaque materials can transmit light when excited by a high-intensity laser beam. This process, known as optical bleaching, induces a nonlinear effect that temporarily alters the properties of a material. Remarkably, when the laser is switched on and off at ultrahigh speeds, the effect can be dynamically controlled, opening new possibilities for advanced optical technologies.

Multicolored optical switching is an important phenomenon with potential applications in fields such as telecommunications and optical computing. However, most materials typically exhibit single-color optical nonlinearity under intense laser illumination, limiting their use in systems requiring multicolor or multiband switching capabilities. Currently, most optical switches are based on microelectromechanical systems, which require an electric voltage or current to operate, resulting in slow response times.

To address this gap, a group of researchers, led by Professor Junjun Jia from the Faculty of Science and Engineering at Waseda University, Japan, in collaboration with Professor Hui Ye and Dr. Hossam A. Almossalami from the College of Optical Science and Engineering at Zhejiang University, China, Professor Naoomi Yamada from the Department of Applied Chemistry at Chubu University, Japan, and Dr. Takashi Yagi from the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan, investigated the multivalley optical switching phenomenon in germanium (Ge) films. They focused on how intense laser irradiation induces ultrafast optical switching across multiple wavelengths in Ge, a multivalley semiconductor. Their study demonstrated efficient multicolored optical switching using a single-color pulse laser, potentially overcoming the limitations of traditional single-color optical nonlinearities. Their research was published in Physical Review Applied on February 24, 2025.

By irradiating Ge with an intense pulse laser, the team achieved ultrafast switching between transparency and opacity across a wide wavelength range. Femtosecond time-resolved transient transmission measurements revealed ultrafast optical switching in both the Γ and L valleys, due to the existence of intravalley and intervalley scattering. “Our results confirm that intense laser irradiation in Ge films allows for ultrafast optical switching across multiple wavelengths, offering the possibility of controlling a material’s transparency and opening new doors for possible applications in optical communications, optical computing, and beyond,” explains Prof. Jia.

Such multivalley optical switching is found to strongly depend on the band structure of Ge. Experimental measurements suggest that the transient signal is highly dependent on the specific region of the band structure involved. For example, the transient transmission spectra reveal a split-off energy of 240 meV at the L high symmetric point. “Careful selection of probing energies, based on the band dispersion calculated with the HSE06 functional and spin-orbit coupling effects, allowed us to accurately capture the transient electronic occupation in both the Γ and L valleys,” says Prof. Jia. This allows the extraction of intervalley and intravalley scattering times in multivalley materials from transient measurements.

Overall, this study highlights the significant potential of Ge as a key material for advanced optical switching, with promising applications in high-speed data transmission and computing. By enabling control over transparency at multiple wavelengths using a single-color pulse laser, exciting possibilities open up for the development of ultrafast optical switches. “This finding is expected to address the growing demand for higher data rates and security in the face of increasing internet traffic, marking a key step forward in the advancement of ultrafast optical switching devices,” concludes Prof. Jia.

Reference

Authors: Junjun Jia¹, Hossam A. Almossalami², Hui Ye², Naoomi Yamada³, Takashi Yagi⁴
Title of original paper: Multivalley optical switching in germanium
Journal: Physical Review Applied
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.23.024060
Article Publication Date:24 February 2025
Affiliations:
¹Global Center for Science and Engineering (GCSE), Faculty of Science and Engineering, Waseda University, Japan
²College of Optical Science and Engineering, Zhejiang University, China
³Department of Applied Chemistry, Chubu University, Japan
⁴National Metrology Institute of Japan (NMIJ), National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Japan

About Professor Junjun Jia

Junjun Jia is a Professor at the Faculty of Science and Engineering, Waseda University, Japan. He earned his Ph.D. from the University of Tokyo in 2011. His research focuses on the design and fabrication of functional solid-state materials, as well as the development of solid-state devices, including solid-state thermal circuital elements, acoustic wave-based devices, and nonequilibrium electronic devices. His interests include nonlinear optics, non-equilibrium physics, and excited electronic/phonon structure in solids materials. Dr. Jia has published extensively in peer-reviewed journals such as Advanced Functional Materials, Physical Review B, Physical Review Applied. He has received several awards, including the Waseda e-Teaching Award in 2022. He is a member of various committees, including the Materials Research Society of Japan.

An Efficient Self-Assembly Process for Advanced Self-Healing Materials

The novel method produces multilayered self-healing films with enhanced durability compared to conventional materials for coatings and flexible electronics

Self-healing coatings are advanced materials that can repair damage, such as scratches and cracks on their own. Researchers from Waseda University have developed an efficient method for preparing self-healing films consisting of alternating layers of highly cross-linked organosiloxane and linear polydimethylsiloxane (PDMS). Their film is more durable than conventional self-healing PDMS materials, offering superior hardness and greater thermal stability while self-healing at mild temperatures, paving the way for stronger, more reliable, and easier-maintained self-healing materials.

Polysiloxane materials, such as polydimethylsiloxane (PDMS)-based elastomers, exhibit a self-healing capability by the introduction of silanolate (Si–O^–) groups. This ability stems from their dynamic siloxane (Si–O–Si) bonds, which can break and reform to repair damage. Their self-healing properties could make them valuable in applications like protective coatings for use in various fields, such as optics, electronics, and aerospace.

To improve the properties of PDMS-based materials, they have been combined with inorganic fillers such as nanoparticles or nanosheets. Generally, the introduction of nanosheets into polymers leads to the formation of a layered structure that exhibits superior thermal, mechanical, and gas barrier properties. Furthermore, improved crack healing ability of oriented films was reported. This improvement is attributed to polymer diffusion concentrated in the in-plane direction.

Researchers at Waseda University, Japan, have made significant progress in enhancing self-healing siloxane materials by developing a more efficient method for fabricating multilayered films. In a study published on January 6, 2025, in Volume 61, Issue 16, of the journal Chemical Communications, a team led by Professor Atsushi Shimojima, with Research Associate Yoshiaki Miyamoto and Assistant Professor Takamichi Matsuno, fabricated a composite film composed of highly cross-linked organosiloxane (silsesquioxane) and grafted PDMS layers using a self-assembly process.

“Replacing traditional materials with our self-healing material, which is less susceptible to deterioration and has high hardness, would be in high demand for maintenance-free and durable applications,” says Miyamoto, the lead author of the study.

The researchers began by depositing a solution containing 1,2-bis(triethoxysilyl)ethane, Pluronic P123 (a PEO–PPO–PEO triblock copolymer, where PEO stands for poly(ethylene oxide) and PPO stands for poly(propylene oxide)), and a PEO–PDMS–PEO block copolymer onto a silicon or glass substrate using spin-coating or drop-casting techniques. This process formed a thin film with a lamellar (layered) structure.

The film was then calcinated in air at 170 °C for 4 hours, resulting in the removal of the PEO and PPO blocks. This process left behind a multilayered structure composed of silsesquioxane and PDMS layers.

To impart self-healing properties to the film, Si–O^– groups were introduced. These groups promote rearrangement and reconnection of the siloxane (Si–O–Si) networks. To achieve this, the film was immersed in a solution of tetrahydrofuran, water, and potassium hydroxide (KOH). In this process, hydroxide ions (OH^–) from KOH removed protons (H⁺) from silanol (Si–OH) groups, converting them into Si–O^– ions. The final film could repair micrometer-scale cracks when heated to 80 °C at 40% relative humidity for 24 hours.

The film showed superior properties compared to conventional PDMS-based materials. The cross-linked organosiloxane layers provided greater rigidity and served as a barrier against the volatilization of cyclic siloxanes, addressing the limitations of traditional PDMS materials. While conventional self-healing PDMS elastomers have a hardness of 49 MPa, the final self-healing film exhibited a hardness of 1.50 GPa.

“This innovative multilayered design allows our material to be both harder and more heat-resistant than existing self-healing siloxane-based materials, paving the way for more durable and reliable applications,” says Miyamoto.

With its high hardness and self-healing properties, this material is well-suited for protective coatings, flexible electronics, and other applications that require long-lasting performance.

Reference

Title of original paper:Multilayered organosiloxane films with self-healing ability converted from block copolymer nanocomposites
DOI:10.1039/D4CC05804F
Journal:Chemical Communications
Article Publication Date:06 January 2025
Authors:Yoshiaki Miyamoto¹, Takamichi Matsuno^1,2,3 and Atsushi Shimojima^1,2,3
Affiliations:
¹Department of Applied Chemistry, Faculty of Science and Engineering, Waseda University, Japan
²Waseda Research Institute for Science and Engineering, Waseda University, Japan
³Kagami Memorial Research Institute for Materials Science and Technology, Waseda University, Japan

About Dr. Yoshiaki Miyamoto from Waseda University

Dr. Yoshiaki Miyamoto is a Research Associate at the School of Advanced Science and Engineering, working under the supervision of Professor Atsushi Shimojima. His research focuses on the relationship between material structure, composition, and self-healing properties, particularly within the realm of siloxane-based materials. He explores factors such as network flexibility, swelling behavior, and dynamic bond rearrangement. His research has produced publications demonstrating expertise in designing self-healing materials with improved mechanical properties and thermal and chemical stability. Dr. Miyamoto’s research contributes to the advancement of functional materials with potential applications in coatings, adhesives, and other areas where self-healing capabilities are crucial.

Machine Learning Unlocks Superior Performance in Light-Driven Organic Crystals

LASSO regression and Bayesian optimization enhance crystal force output, advancing next-generation light-responsive actuator materials

Researchers have developed a machine learning workflow to optimize the output force of photo-actuated organic crystals. Using LASSO regression to identify key molecular substructures and Bayesian optimization for efficient sampling, they achieved a maximum blocking force of 37.0 mN—73 times more efficient than conventional methods. These findings could help develop remote-controlled actuators for medical devices and robotics, supporting applications such as minimally invasive surgery and precision drug delivery.

Materials that convert external stimuli into mechanical motion, known as actuators, play a crucial role in robotics, medical devices, and other advanced applications. Among them, photomechanical crystals deform in response to light, making them promising for lightweight and remotely controllable actuation. Their performance depends on factors such as molecular structures, crystal properties, and experimental conditions.

A key performance indicator of these materials is the blocking force—the maximum force exerted when deformation is completely restricted. However, achieving high blocking forces remains challenging due to the complex interplay of crystal characteristics and testing conditions. Understanding and optimizing these factors is essential for expanding the potential applications of photomechanical crystals.

In a step toward optimizing the output force of photo-actuated organic crystals, researchers from Waseda University have leveraged machine learning techniques to enhance their performance. The study was led by Associate Professor Takuya Taniguchi from the Center for Data Science, along with Mr. Kazuki Ishizaki and Professor Toru Asahi, both from the Department of Advanced Science and Engineering, Graduate School of Advanced Science and Engineering at Waseda University. Their findings were published online in Digital Discovery on 20 March 2025.

“We noticed that machine learning simplifies the search for optimal molecules and experimental parameters,” says Dr. Taniguchi. “This inspired us to integrate data science techniques with synthetic chemistry, enabling us to rapidly identify new molecular designs and experimental approaches for achieving high-performance results.”

In this study, the team utilized two machine learning techniques: LASSO (least absolute shrinkage and selection operator) regression for molecular design and Bayesian optimization for selecting experimental conditions. The first step led to a material pool of salicylideneamine derivatives, while the second enabled efficient sampling from this pool for real-world force measurements. As a result, the team successfully maximized the blocking force, achieving up to 3.7 times greater force output compared to previously reported values and accomplishing this at least 73 times more efficiently than conventional trial-and-error method.

“Our research marks a significant breakthrough in photo-actuated organic crystals by systematically applying machine learning,” says Dr. Taniguchi. “By optimizing both molecular structures and experimental conditions, we have demonstrated the potential to dramatically enhance the performance of light-responsive materials.”

The proposed technology has broad implications for remote-controlled actuators, small-scale robotics, medical devices, and energy-efficient systems. Because photo-actuated crystals respond to light, they enable contactless and remote operation, making them ideal robotic components working in confined or sensitive environments. Their ability to generate force noninvasively with focused light could also be valuable for microsurgical tools and drug delivery mechanisms that require precise, remote actuation.

By leveraging a cleaner energy input—light irradiation—while maximizing mechanical output, these materials hold promise for eco-friendly manufacturing processes and devices aimed at reducing overall energy consumption. “Beyond improving force output, our approach paves the way for more sophisticated, miniaturized devices, from wearable technology to aerospace engineering and remote environmental monitoring,” Dr. Taniguchi adds.

In conclusion, this study highlights the power of a machine learning–driven strategy in accelerating the development of high-performance photo-actuated materials, bringing them one step closer to real-world applications and commercial viability.

Reference

Authors: Kazuki Ishizaki¹, Toru Asahi¹, and Takuya Taniguchi²
Title of original paper: Machine Learning-Driven Optimization of Output Force in Photo-Actuated Organic Crystals
Journal: Digital Discovery
DOI:10.1039/D4DD00380B
Article Publication Date:20 March 2025
Affiliations:
¹Department of Advanced Science and Engineering, Graduate School of Advanced Science and Engineering, Waseda University
²Center for Data Science, Waseda University

About Associate Professor Takuya Taniguchi from Waseda University

Takuya Taniguchi is an Associate Professor at the Center for Data Science at Waseda University, Japan. He received a Doctor of Engineering degree from the Department of Advanced Science and Engineering, Graduate School of Advanced Science and Engineering, Waseda University, in 2019. His research areas of interest include structural organic chemistry, physical organic chemistry, organic functional materials, materials informatics, and materials science. His publications have received over 500 citations.

力学系の内部構造を解析する深層学習を開発
～物理現象や複雑システムの理解や解析に期待～

ポイント

• 様々な物理システムが絡み合った力学系を各要素に分割できる深層学習モデルを開発。
• 各要素の特性と要素間の結合パターンの同定に成功。
• 工学・自然科学分野における複雑システム解析の進展に期待。

概要

北海道大学大学院情報科学研究院の松原　崇教授、早稲田大学理工学術院の吉村浩明教授、神戸大学大学院理学研究科の谷口隆晴教授、大阪大学大学院基礎工学研究科修士課程のコスロービアン・ラグミックアルマン氏らの研究グループは、機械系や電気系など様々な物理ドメインのシステムが結合した力学系^*1を、高精度かつ統一的に表現できる新たな深層学習^*2手法「ポアソン＝ディラック ニューラルネットワーク（PoDiNNs）」を開発しました。従来の深層学習モデルは、解析力学の知見を用いることで、高精度に挙動をモデル化し、未来の変化を予測することに成功していました。しかし、主に（質点ばねで表現できるような）機械系の運動に特化しており、電気回路や油圧系といった他の物理ドメインへ拡張することが困難でした。また対象を一体的な力学系として扱うため、複数の要素が結合した大きな力学系（連成系）の学習が難しく、内部構造に対する理解や解釈を与えないという問題がありました。

研究グループが提案するPoDiNNsは、単一の力学系を、エネルギーを保持する素子、エネルギーを消費する素子、エネルギーを外部から与える素子に分割し、ディラック構造^*3という数学的対象を用いてそれらの素子の結合系として力学系全体を表現します。そのため、データからの学習によって、それぞれの素子の特性と、力学系内部の結合パターンを同時に同定することができます。これにより、長期にわたる予測の安定性が向上するだけでなく、要素間の相互作用を可視化しやすくなるため、ロボット工学や電力制御、構造物の振動解析や回路設計など、多様な応用への可能性が広がります。本研究の成果は、物理法則に根ざした学習モデルの新たな方向性を示し、マルチフィジックス^*4系の設計・制御・最適化など幅広い分野での発展が期待されます。

なお、本研究成果は、2025年4月24日（木）～28日（月）にシンガポールで開催される、国際会議International Conference on Learning Representationsにて発表される予定です。

背景

多くの物理現象やロボット、電気回路、化学反応などはすべて一種の力学系とみなすことができ、未知の力学系をデータからモデル化し、予測や制御に役立てるために、深層学習（ニューラルネットワーク）が用いられてきました。特に近年、常微分方程式^*5で記述できるような力学系に対し、解析力学の知見を用いることで、エネルギー保存則などの物理法則を遵守できる手法が開発され、高精度に挙動をモデル化し、未来の変化を予測することに成功していました。しかし、既存の手法は主に質点ばねで表現できるような機械系の運動に特化しており、電気回路や油圧系といった他の物理ドメインへ拡張することが困難でした。また対象を一体的な力学系として扱うため、複数の要素が結合した大きな力学系の学習が難しく、学習ができても力学系の内部構造に対する理解や解釈を与えないという問題がありました。

研究手法

本研究では、深層学習にポアソン＝ディラック形式という力学系の記述方法を導入しました（図１）。これは小さな力学系が複数結合した力学系である連成系について、それぞれの要素に分解し、エネルギーの流入出として要素間の結合を表現することで、連成系全体を記述する方法です。これを用いて、連成系を構成する各要素（ばね・質量・ダンパ・キャパシタ・インダクタ・抵抗・油圧タンクなど）と結合パターンに分解し、それぞれをニューラルネットワークや行列として学習できる手法PoDiNNsを開発しました。

研究成果

キラルな分子のエナンチオマー結晶とラセミ結晶とを比較して、結晶を構成する二量体の対称性の僅かな違いにより結晶構造の温度依存性の違いが引き起こされることを、単結晶X線構造解析によって実際に示した今回の成果は、物理化学・有機化学・固体化学といった化学の幅広い分野や結晶学において興味深く重要な例であり、将来的に分子結晶の構造と特性を議論する実験的および計算的アプローチにおいて有用な知見となることが期待されます。

また、キラルな化合物は薬理活性を示すことが多く、数多くのキラル医薬品が開発されています。かつてサリドマイドが世界規模での薬害を引き起こしたように、医薬品におけるキラリティの理解と制御は非常に重要であり、医薬品開発においては結晶形の違いから安定性や溶解性の違いが生じることから、その構造と物理化学的性質の理解と制御もまた重要です。キラル分子の結晶において分子環境の僅かな違いが結晶構造の温度依存性に影響することを示した今回の成果は、キラル医薬品の結晶化や品質確保にも有用な基礎的な知見となることが期待されます。

課題、今後の展望

PoDiNNsを様々なシミュレーションデータに適用し、連成系を構成する各要素の入出力特性と、結合パターンを個別に同定することで、力学系の内部構造をデータから明らかにできることを確認しました。これにより、従来の手法よりも高い精度で挙動を予測できることが示されました。特に、モータや油圧ピストンがあるような異なる物理ドメインをまたぐような要素についても、特性及び結合パターンを正確に同定することができ、マルチフィジックスな系を解釈可能な形で学習できる初の深層学習手法であることを示しました。その結果、システム内で実際に生じている力や電流や油液の流れが可視化でき、連成系の理解に貢献することが期待されます。

今後への期待

この手法は、ロボットや自動車といった多くの部品から構成されたシステムのシミュレーションや制御、リバースエンジニアリングへの応用が期待されます。また生物や社会システムのような人の手で設計されたわけではない対象についても、この手法を用いることで、高度な解析や深い理解に貢献する可能性があります。

謝辞

本研究はJST さきがけ（JPMJPR24TB、JPMJPR21C7）、JST CREST（JPMJCR1914、JPMJCR24Q5）、JST ASPIRE（JPMJAP2329）、JST ムーンショット型研究開発事業（JPMJMS2033-14）の受託とJSPS 科研費（JP24K15105）の助成を受けたものです。

用語解説

＊1 力学系（dynamical system） … 入力や出力を持ち、内部の状態が時間的に変化するようなもの。様々な物理現象、社会現象、生物の代謝、ロボットの挙動などが力学系として解釈できる。

＊2 深層学習（deep learning） … 比較的単純な演算を繰り返すことで複雑な関数を近似する機械学習のパラダイム。個別のモデルは歴史的な経緯からニューラルネットワークと呼ばれるが、生物の神経細胞（ニューロン）と直接的な関係はない。

＊3 ディラック構造（Dirac structure） … 力学系の拘束を記述するための数学的枠組みであり、本研究では特にサブシステム同士の結合をエネルギーの流入出として記述するために用いている。

＊4 マルチフィジックス（multiphysics） … 機械・電気・流体・熱など、異なる物理領域が相互に結合した力学系のこと。またその計算機シミュレーション。

＊5 常微分方程式（ordinary differential equation） … 位置や速度といった点で表現できる状態の時間変化で力学系を記述する方法。流体のように、点ではなく空間的な広がりを持った状態の空間的変化を扱うと、偏微分方程式となる。

論文情報

論文名　Poisson-Dirac Neural Networks for Modeling Coupled Dynamical Systems across Domains（ドメインをまたいだ連成系をモデルかするためのポアソン＝ディラックニューラルネットワーク）
著者名　コスロービアン ラズミックアルマン¹、谷口隆晴²、吉村浩明³、松原　崇⁴（¹大阪大学大学院基礎工学研究科、²神戸大学大学院理学研究科、³早稲田大学理工学術院、⁴北海道大学大学院情報科学研究院）
学会名　The Thirteenth International Conference on Learning Representations（ICLR2025・人工知能と機械学習の国際会議）
開催日　2025年4月24日（木）～28日（月）

参考図

ひとも、まちも元気にする医学✕都市計画学のチカラ

 

超高齢・縮退社会を迎えた日本に活力を取り戻すため、医学と都市計画学の出会いから生まれた新しい学術領域MBT（Medical Based Town）。奈良県立医科大学と双子の研究所をつくり、「ひとも元気に、まちも元気に。」を掲げて取り組む実践研究の成果がすでに見え始めています。所長を務める後藤春彦教授を訪ねました。

 

◆人生100年時代の「まちづくり」を考える新しい学問

──医学を基礎とするまちづくり（MBT: Medical Based Town）」の概念についてお聞かせください。どのようなことを目指しておられますか。

「人体の健康」と「都市の持続性」の追求、またそのために必要な医学と都市計画学の交流をテーマとする研究で、奈良県立医科大学の細井裕司教授（理事長兼学長）による提唱をきっかけに生まれました。出発点は「住居医学」という、病気の予防や健康維持に役立つ住まいのあり方に関する研究ですが、この概念をさらに発展させ、まちづくりへと拡大させたものがMBTです。

2012年に都市計画の専門家を求める奈良県立医科大からのオファーを受け、早稲田大学との共同研究が始まりました。同じ名称の研究所が両者に置かれ、互いに「ひとも元気に、まちも元気に。」をスローガンに掲げて活動しています。本学ではその後、2015年に重点領域研究の一つに位置づけられ、2020年から総合研究機構に現在のプロジェクト研究所として加わりました。

──医学と都市計画はまったく違う領域のようにも感じますが、両者の結びつきにはどんな背景があるのでしょうか。

実は100年以上も前からある考え方で、明治・大正期の政界で活躍した後藤新平などはその先人の一人です。関東大震災後の東京復興を指揮した人物ですが、医師でもあった後藤は「生物学の原則」に従ったまちづくりを進めたといいます。また同じ頃、パトリック・ゲデスというスコットランドの学者も、生物学を基礎とする都市理論を提唱しました。都市の近代化が進んで人口が増えるにつれ、医療や健康との結びつきが必然的に求められるようになったのです。

現代的な事情でいえば、日本の場合、少子高齢化の問題が大きく関係しています。2023年度の国民医療費は約47.3兆円。国民総生産（GDP）のおよそ8％を占め、明らかに日本経済を圧迫しています。医療費が最も多いのは60〜70代ですから、この世代の健康度を高めれば医療費は下がるはずですが、すでに病気になっている人の診療費を抑えるのは容易なことではありません。であれば、その予備軍である40〜50代をターゲットに未病対策を進めることで、10年後、20年後の医療費を押さえ込めるのではないか。つまり、健康をテーマに都市環境を整えることで、未病の人たちの発症を抑えて、社会を元気にする。それが、私たちの研究の起点となった問題意識です。

◆「お互い様の健康感」でコミュニティ全体を元気に

──人々の健康と都市環境はそれだけ密接な関係にあるということですね。

そうですね。この図を見てください（下図参照）。「いくつもの健康（感）」を表したもので、横軸の上側を「個人（ひとり）の健康」、下側を「社会集団（みんな）の健康」に分け、縦軸の左側を「客観」、右側を「主観」としたマトリックスです。このうち左側の客観的健康に含まれる身体的健康や精神的健康、社会的健康、公衆衛生といったものは、主に医学が担う領域です。

これに対して、例えば「今日は体が重い／だるい」などと感じるのは、右側の個人の主観的健康感に当たります。それらを束ねて多くの人の主観を集めていくと、コミュニティ全体の健康感につながる。この状態は主観から客観への間に位置するため「間主観」ともいえます。コミュニティに属する人たちが互いに支え合うことで、孤独や無縁社会といった現代的な問題も克服できるという意味で、私はこれを「お互い様の健康感」と名づけました。これら主観に関する部分は医学の領域から離れるので、病院では診てもらえない。だから、私たちが取り組む意義があるわけです。

実は、主観的健康感が高い人は生命予後が長い、つまり病気や手術の後でより長く生きられることが、これまでの研究で明らかになっています。WHO（世界保健機関）も最近、主観的健康感の重要性を指摘するようになりました。では、どうすればその主観的健康感を高められるのか。個人の場合、それは家や建築などの住環境を整えることに関係し、社会集団ではまちづくりと密接に関わってくると、私たちは考えています。

──そうしたMBTの考え方や研究はどのような広がりを見せていますか。

細井先生と私が共著で『医学を基礎とするまちづくり』（水曜社）と題する書籍を出版したのが、2014年１月でした。その翌年、日本医学会総会でも発表し、多くの方に関心を持っていただけたように思います。私自身、以前は都市計画のような学問が人体に関する領域に踏み込むことはないと思っていましたが、なるほど主観的健康感という捉え方からであればアプローチできるかもしれないと気づき、この研究に着手しました。

今、健康とまちづくりに関連する研究活動を概観すると、奈良県立医科大と早稲田大学のほかにも、東京大学の高齢社会総合研究機構や、筑波大学発ベンチャー企業のつくばウエルネスリサーチなどが進めている取り組みに目が止まります。どちらも高齢者を対象に将来の社会保障制度に貢献することを視野に入れ、前者では在宅医療や高齢者住宅を含む地域社会のあり方を、後者では誰もが「健幸」になれるSmart Wellness Cityのかたちについて研究しています。

このように医学と都市の関係性に今、多くの研究者が目を向け始めていることは確かです。最近よくいわれる「ウェルビーイング」を追求する社会の潮流が、これに拍車を掛けているようです。

◆古い「町並み」を生かして取り組む「町なか」医療

──具体的な取り組みについてお聞かせください。どのような研究活動を進めていますか。

奈良県立医科大と一緒に取り組んでいる「今井町アネックス」プロジェクトがあります。今井町というのは奈良県橿原市にある江戸期に栄えた古い町で、当時の風情を今に伝える町家が至るところに残り、重要伝統的建造物群保存地区にも選定されています。その近隣にある医科大の附属病院、そして近く建設が予定される同大の新しいキャンパス、この３つをつなぐ地域を舞台として、「まちなか医療」と「まちなみ景観」の整備を一体に進めようというプロジェクトです。

東西に約600ｍ、南北に約310ｍにわたる保存地区には、全部で約760戸の家があり、そのうち500戸ほどが伝統的建造物となっています。ただ、人口が減るにつれて空き家が目立ちはじめているものの、保存地区ですから勝手に壊したり建て替えたりすることができません。この町並みを何とかして生かしながら、医療・健康のまちとして再生することはできないか。そんな思いから活動が始まりました。

そこで考えたのが、医科大の機能の一部を伝統的な町並みの中に取り込み、病院と自宅の間に医療を介在させる仕組みです。中世の町ですから、道幅が狭く、車は入ることができません。それがかえって車いすの練習や歩行訓練などのリハビリに適している。回復期にある患者さんをこうした環境で受け入れたら、病院の廊下でやるよりよほど人間的な支援ができるのではないかと提案しました。

また、絵画療法や園芸療法、音楽療法、運動療法といったものを町なかに持ち込んだり、ケア付きの共同住宅や患者さんの家族の宿泊所、退院してから自宅に戻るまでの滞在型リハビリ施設をつくったり。こうした場所に空き家を有効活用するわけです。実際、改修した長屋に早稲田の学生が泊まり込み、市民向けに健康測定やワークショップを行うことも続けてきました。医科大では外国人研究者のためのゲストハウスをつくり、そこで医師の方々が市民のための健康相談を開いています。ほかにも、放課後の児童クラブや女性専用のシェアハウスなど、アイディアは尽きません。

◆農村から大都市郊外まで全国展開を目指した活動へ

──たいへん実証的で、実践的な研究ですね。社会的意義が認められて公的助成プログラムにも採択されています。

今井町アネックスは「持続可能な多世代共創社会のデザイン」に貢献するとして、科学技術振興機構の戦略的創造研究推進事業（社会技術研究開発）に選ばれました。また、今井町とは別の研究で、農林水産政策科学研究委託事業の助成を受けています。「農村健康観光」によって６次産業を創出する取り組みです。

６次産業というのは、１次・２次・３次の各産業を掛け合わせるもので、一般には農工商の連携が知られています。食料をつくり、食品に加工して、飲食店で販売するというように。ですが、それに留まらず、農工医の連携も考えられる。生薬を栽培し、漢方薬に加工して、医療に活かすのです。そこからさらに広げると、

漢方医療から園芸療法に結びつけ、医療観光へと発展させられる可能性も見えてきます。もっと言えば、農家レストランから農家民泊、医療観光への展開もあるでしょう。

私たちはここに着目し、３次産業の最も高次な部分に医療観光を置き、その成果を地域の景観づくりに還元しながら１次産業にもプラスの効果を戻せるような、農村における「６✕ｎ次産業化」を提案しています。

これに基づき、奈良県の農村を散策しながら薬草を摘み、農作業を体験してランチを楽しみ、薬草に関するワークショップにも参加する薬草ツアーを企画しました。すると、参加者は農作業などで肉体的には疲れても健康状態はむしろ上向き、精神的疲労度が下がることが、2種類の医学的調査によって確認できました。客観的健康と主観的健康の両方に効果が見られたのです。このツアーにはガイド役の学生を付けているのですが、農村の暮らしの知恵をあれこれ学びながら散策することで健康感もより高まる効果を期待してのことです。

また、別の調査では主観的健康感と住んでいる環境などとの関係性を調べてみました。中心市街地や住宅地、商業地区、高齢者タウンなどまったくプロフィールの異なる７つの地区を対象に、それぞれ十数人の中高齢者に参加してもらい、「認知環境」「物理的環境」「世代」「性別」によって主観的健康感がどう変わるかを見たものです。

結果は面白いことに、世代や性別を問わず、どんな場所に住んでいるかも関係なく、たった一つ「認知環境」だけに主観的健康感との相関関係が認められました。つまり、自分が暮らすまちのことを詳しく知っている人ほど、主観的健康感が高いということです。まちづくりと医療・健康が結びつくことを示す証左の一つといえますね。

──物理的環境が問われないのであれば、全国のいろいろな地域で健康づくりを進めることができそうです。

そうですね。細井先生もまさにそのことを指摘されていて、「全国に約80もの医科大学があるのだから、今井町と同じことを全国でできるはず」とおっしゃっています。主観的健康感が高くなれば、生命予後が長くなることがわかっているのですから、健康寿命を延ばすためには主観的健康感が大切であり、それには自分の住む地域にもっと関心を持ってもらえるよう工夫しなくてはなりません。

そうした考えから私たちは、早稲田大学建築・まちづくりリサーチファクトリーとの連携で、首都圏郊外の住宅地を再生するプロジェクトも同時に進めています。都市が大きく成長した時代はもう過ぎて、郊外には空き地や空き家が目立つようになりました。中山間地域で進む過疎化や地方都市のシャッター通り商店街も大きな問題ですが、実は縮退する大都市圏郊外の問題が手つかずのまま残されている。これを何とかするために、埼玉県越谷市などを実証フィールドとして、「Interknitted Town」と名づけた市街地再編集ビジョンに基づく活動に取り組んでいるところです。

──Interknitとは「編み合わせる」という意味ですね。

はい。いろいろな「穴」が空き始めた郊外のまちに、必要な機能を編み込んでいく。先進的なスマートシティの創造が織機の世界だとすれば、我々は手編みの世界。これからも地道で実効性のある実証研究を続けていくつもりです。

温度によるサリドマイド結晶の構造変化を明らかに
分子環境と結晶熱膨張の関係の新たな知見で、キラル医薬品の結晶化や品質確保に期待

発表のポイント

• 難治性疾患の治療薬としての薬効と薬害に繋がる催奇形性の性質をもつ、キラルな化合物サリドマイドについて、一方の鏡像異性体（R体またはS体）のみで構成される「エナンチオマー結晶」と等量のR体とS体から構成される「ラセミ結晶」の単結晶を育成し、世界で初めてサリドマイドの結晶構造の温度依存性を広い温度領域で測定し、エナンチオマー結晶とラセミ結晶の結晶構造の温度依存性に違いが見られることを明らかにしました。
• 結晶構造が酷似しているエナンチオマー結晶とラセミ結晶において、その基本となる二量体の対称性の僅かな違いにより、両者の熱膨張挙動に違いが見られることが明らかとなりました。
• この成果は、キラル医薬品の結晶化や品質確保に関する基礎的な知見となるとともに、分子結晶の構造と特性に関わる実験的および計算的アプローチにおいても有用な知見となります。

概要

早稲田大学理工学術院の朝日透（あさひとおる）教授、同大学総合研究機構の中川鉄馬（なかがわけんた）主任研究員、中西卓也（なかにしたくや）上級研究員、同大学大学院先進理工学研究科一貫制博士課程2年の松本綾香（まつもとあやか）、東京科学大学理学院化学系の関根あき子（せきねあきこ）助教、名古屋工業大学生命・応用化学類の柴田哲男（しばたのりお）教授、東京大学大学院工学系研究科の佐藤宗太（さとうそうた）特任教授らの共同研究グループは、世界で初めてサリドマイドの結晶構造の温度依存性を広い温度領域で測定し、エナンチオマー結晶とラセミ結晶の結晶構造の温度依存性に違いが見られることを明らかにしました。本研究成果は、キラル医薬品の結晶化や品質確保に役立つ基礎的な知見となるとともに、分子結晶の構造と特性に関わる実験的および計算的アプローチにおいても有用な知見となると期待されます。

本研究成果はアメリカ化学会により発行される「Journal of the American Chemical Society」にて2025年3月27日（木）にオンライン公開されました。

キーワード：
サリドマイド、単結晶X線構造解析、キラル、エナンチオマー、ラセミ（体）、二量体、熱膨張係数

これまでの研究で分かっていたこと

自然界に溢れる左右の非対称性はキラリティ^※1と呼ばれ、鏡像と互いに重ね合わせられない性質があります。サリドマイドは、鏡像異性体^※2の存在するキラルな薬剤の代表例として知られ、催眠・鎮静剤や制吐剤として開発されましたが、妊婦が服用した際に生まれる胎児の催奇形性^※3の報告を受けて販売が一旦中止され、世界中で大きな問題となりました。その後の研究で、サリドマイドの鏡像異性体（R体とS体）のうち、一方（S体）にのみ催奇形性があると報告されています。現在では、がん（多発性骨髄腫）やハンセン病など複数の難病に対する薬効が明らかとなり、サリドマイドは再び注目を集めています。

サリドマイドの結晶には、R体またはS体のみで構成される「エナンチオマー結晶」と、等量のR体とS体から構成される「ラセミ結晶」があり、ラセミ結晶には二つの多形（α形とβ形）が存在します。サリドマイドのエナンチオマー結晶とα形ラセミ結晶では、どちらも二量体（二分子会合体）^※4が構造の基本となり、結晶中の分子の配置や分子間の距離は酷似しています。エナンチオマー結晶中の二量体では「同じキラリティを持つ二分子が対称ではない配置」にあり、ラセミ結晶中の二量体では「反対のキラリティを持つ二分子が対称な配置」にありますが、両結晶で分子間および分子内の構造がこれほど類似している例は多くありません。しかしながら、これまで両結晶の物理化学的な性質な違い、とくに温度を変化させたときに分子構造や結晶構造の変化にどのような違いがあるのかなど明らかにされていませんでした。

新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと、そのために新しく開発した手法

本研究では、サリドマイドのエナンチオマー結晶とラセミ結晶について、温度変化に伴うそれぞれの結晶構造の変化を比べることで、分子環境の僅かな違いが結晶の熱膨張といった挙動に及ぼす影響を調べることを目的としました。そのためには、良質な単結晶を用いた精密な構造解析をさまざまな温度で行う必要があります。高温での測定に耐えられる単結晶試料を、エナンチオマー結晶とラセミ結晶の双方で溶媒蒸発法^※5によって育成することで、−173~150 °Cという非常に幅広い温度領域での同一の単結晶試料を用いたX線構造解析を行うことができました。これにより、温度の変化によって結晶格子の単位胞^※6の大きさと形（格子定数^※6）、結晶内の分子の配列や配向、分子の立体配座^※7がどのように変化するのかを両結晶で比較することができました。

格子定数の温度依存性、また、熱膨張係数の温度依存性には、エナンチオマー結晶とラセミ結晶とで明らかな違いが認められました。さらに、エナンチオマー結晶を構成する「同じキラリティを持つ二分子が対称ではない配置にある二量体」とラセミ結晶を構成する「反対のキラリティを持つ二分子が対称な配置にある二量体」それぞれに着目すると、前者では対を成す二種類の単量体の構造の違いが温度上昇に伴いさらに大きくなるのに対し、後者では対を成すR体分子とS体分子は構造変化の温度依存性が等しい（対称性が維持される）ことがわかりました。サリドマイド結晶内では、この二量体が三次元的に規則正しく並んでいるため、分子構造の自由度は隣接する分子の影響を互いに受けます。自由度に関連する反応空間^※8の体積が対を成す単量体間で異なるか等しいかによって分子構造の温度依存性の違いが説明できること、また、二量体の対称性の違いが結晶構造の温度依存性の違いに繋がることを示しました。

研究の波及効果や社会的影響

キラルな分子のエナンチオマー結晶とラセミ結晶とを比較して、結晶を構成する二量体の対称性の僅かな違いにより結晶構造の温度依存性の違いが引き起こされることを、単結晶X線構造解析によって実際に示した今回の成果は、物理化学・有機化学・固体化学といった化学の幅広い分野や結晶学において興味深く重要な例であり、将来的に分子結晶の構造と特性を議論する実験的および計算的アプローチにおいて有用な知見となることが期待されます。

また、キラルな化合物は薬理活性を示すことが多く、数多くのキラル医薬品が開発されています。かつてサリドマイドが世界規模での薬害を引き起こしたように、医薬品におけるキラリティの理解と制御は非常に重要であり、医薬品開発においては結晶形の違いから安定性や溶解性の違いが生じることから、その構造と物理化学的性質の理解と制御もまた重要です。キラル分子の結晶において分子環境の僅かな違いが結晶構造の温度依存性に影響することを示した今回の成果は、キラル医薬品の結晶化や品質確保にも有用な基礎的な知見となることが期待されます。

課題、今後の展望

本研究で扱ったサリドマイドの結晶は非常に興味深い研究対象である一方、いくつかの条件が揃った特別な例とも言えるため、今回得られた重要な知見をもとに分子構造や結晶構造が類似した化合物でも同様の解析を行うことで、さらに議論が深まるものと期待されます。例えば多発性骨髄腫の標準治療薬として現在広く使用されているポマリドミドやレナリドミドなどをはじめとするサリドマイド誘導体との比較は、他のキラル医薬品も含めたさまざまな分子結晶の構造と特性を議論する上で有意義なものと考えられ、モデルに基づいた予測や再現と組み合わせることで幅広い議論が可能になることが期待されます。

研究者のコメント

サリドマイドは社会的にも有名で重要な薬剤でありながら、基礎物性的な研究はまだ不足しています。本研究をさらに発展させて、物理化学的な観点から、これまで明らかとなっていなかった固体におけるサリドマイドの熱的性質や固相反応について明らかにしていきたいと考えています。

用語解説

※1 キラル（キラリティ）
右手と左手のように、鏡に映したときに元の構造と重ね合わせることができない構造を指す。このような構造を持つ分子や結晶は、キラル分子やキラル結晶と呼ばれ、左右の区別が存在する性質をキラリティという。

※2 鏡像異性体
右手と左手のように互いに鏡像関係にあり、原子の並びは同じでも三次元空間における配置が異なる立体異性体を指す。エナンチオマーとも呼ぶ。

※3 催奇形性
妊婦が薬物を服用した際に、胎児に形態的異常を生じさせる性質。

※4 二量体
2つの分子が化学結合によって1つの分子として振る舞う状態。

※5 溶媒蒸発法
結晶化したい溶質を含む溶液から溶媒をゆっくり蒸発させることで、溶質を結晶として析出させる結晶育成手法。

※6 単位胞・格子定数
結晶中において、分子が三次元的に規則正しく繰り返し並ぶ際の最小の繰り返し単位を単位胞といい、その各辺の長さと角度を示すパラメータを格子定数という。

※7 立体配座
分子内の単結合が回転することによって生じる原子の空間的な配置。

※8 反応空間
結晶中の反応基に隣接する原子から、その原子のファンデルワールス半径に1.2Åを加えた距離を半径とする球面で囲まれる空間を指し、分子やその分子中の部位がどれだけ自由に動けるかを示す。

論文情報

雑誌名：Journal of the American Chemical Society
論文名：How Temperature Change Affects the Lattice Parameters, Molecular Conformation, and Reaction Cavity in Enantiomeric and Racemic Crystals of Thalidomide
執筆者名（所属機関名）：松本綾香^※（早稲田大学）、中川鉄馬^※*（早稲田大学）、中西卓也（早稲田大学）、関根あき子（東京科学大学）、古城綜佑（東京科学大学）、吉良美月（早稲田大学）、佐藤宗太（東京大学、分子科学研究所、早稲田大学）、柴田哲男（名古屋工業大学）、朝日透*（早稲田大学）
※共同筆頭著者　*共同責任著者
掲載日（現地時間）：2025年3月27日（木）
掲載ＵＲＬ：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.4c18394
DOI：110.1021/jacs.4c18394

研究助成

研究費名：日本学術振興会 科研費 基盤研究 (C)
研究課題名：キラルドラッグサリドマイドの固体状態におけるキラリティ評価
研究代表者名（所属機関名）：朝日透（早稲田大学）

テラヘルツ帯に対応した無線通信システムを試作し、
286.2GHz帯を用いた長距離・大容量OFDM無線伝送に成功

発表のポイント

• テラヘルツ帯に対応した無線通信システムを試作し、300GHzの周波数帯を用いた大容量通信において、OFDMとしては世界トップクラスの距離70mのリアルタイム無線伝送を実現。
• テラヘルツ帯を用いた高速通信の長距離化は、100Gbps以上の伝送速度をめざす次世代移動通信システムBeyond5G/6Gシステムにおいて、地上、海、空にある移動体をつなげる通信ネットワークでの活用が期待されている。
• 本研究では、東京都新宿区の早稲田大学早稲田アリーナ内において72.4mの距離に対し、伝送速度8.19Gbpsのポイント・ツー・ポイント通信を確認。

早稲田大学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、テラヘルツ帯^※1に対応した無線通信システムを試作し、長距離・広帯域伝送の実験に成功しました。図1に示すように、早稲田大学 戸山キャンパス（東京都新宿区）の早稲田アリーナ内で72.4mの距離で、8.19Gbpsの伝送速度を実証しました。300GHz帯の周波数帯を用いた大容量通信において、Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)^※2としては世界トップクラスの70mの伝送距離を実証しました。今後はスタジアム等限定エリアの「中距離」の無線ネットワークのユースケースへの展開が期待されます。

研究の背景

次世代移動通信システムBeyond5G/6G^※3システムにおいて、テラヘルツ帯伝送システムは高速通信が担うことが期待されています。これまでは、マイクロ波帯（3GHz～30GHz）やミリ波帯（60GHz）が利用されてきました。しかし、利用可能な周波数の帯域幅が限定されているため、伝送速度は数百Mbpsから数Gbpsが限界となっています。5年程度に実用化が想定されるD帯（110-170GHz）とならんで、より高い周波数帯の300GHz帯（252-296GHz）でも通信規格IEEE802.15.3d-2017 [1]の研究開発が近年活発に行われています。

今回の研究成果について

286.2GHzのテラヘルツ領域までに対応するアンテナ、送信機および受信機を試作しました。高利得アンテナには、図２に示すように、4系統のビームフォーミング対応で40dBicの高利得なレンズ付き右旋円偏波パッチアンテナ^※4と、47dBiの高利得なレンズ付き直線偏波コニカルホーンアンテナを開発しました。送受信RFアンプおよびミキサーには、国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT）のプロジェクトにおける共同受託者である日本電信電話株式会社（NTT）先端集積デバイス研究所が開発したテラヘルツ帯RFデバイス [2]を使用しました。今回の伝送実験は、中心周波数を286.2GHzに設定し、位相制御された４系統のRF信号をアンテナ放射後に空間合成することで特定実験試験局に許可される範囲内の等価等方放射電力(EIRP)^※5 44dBmの高出力化を実現しました。早稲田アリーナ内で72.4mの距離に対して、帯域幅2.0GHzを使用した条件で、変調方式QPSK(伝送速度3.28Gbps) 、16-QAM(伝送速度6.55Gbps)および32-QAM(8.19Gbps)を用いたOFDM伝送を確認しました。

従来、300GHz帯ではSingle Carrier（SC）を用いた距離645mの通信[3]およびOFDMを用いた距離10mの通信[4]が報告されていました。今回は300GHz帯の周波数を利用した1Gbps以上の伝送容量の通信において、OFDMとして距離70mを超える世界初の伝送実験となりました。OFDMはSCに比べて一般的にスペクトル効率が高く、マルチパスフェージング^※6に強いとされており今後多くの用途での活用が期待されます。

今後の展開

multiple-input multiple-output（MIMO）^※7により高い伝送容量への拡大を目指すとともに、リンクの利便性を向上するために必要なビームステアリング技術の試作と改良を行います。

用語解説

※1 テラヘルツ帯
おおむね周波数100GHzから10THz(波長にして3mm-30μm)の電磁波領域を指す。テラヘルツ帯の中には、無線通信に利用できる周波数帯がいくつか存在する。そのうち、110 GHzから170 GHzはD帯、252GHzから296GHzは300GHz帯と呼ばれる場合がある。

※2 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)
マルチキャリア変調方式の一種であり、一つの広帯域を複数の狭帯域なサブキャリアに分割してデータを並列に送信する技術。各サブキャリアは数学的な直交性を保つことで、互いの干渉を最小限に抑えながら、効率的なデータ通信が可能になる。

※3 Beyond5G/6G
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。

※4 パッチアンテナ
導電体の平板（パッチ）を誘電体基板上に配置し、接地面と組み合わせたマイクロストリップ構造のアンテナ。

※5 等価等方放射電力(EIRP）
送信機が特定の方向に放射する電力を、等方性アンテナが全方向に放射する電力に置き換えた値。

※6 マルチパスフェージング
無線通信において送信信号が複数の異なる経路を通って受信機に到達することで生じる、時間的・周波数的な信号強度の変動現象を指す。

※7 multiple-input multiple-output（MIMO）
複数のアンテナを配置し、空間多重化やダイバーシティ技術を活用して通信容量や信号品質を向上させる無線通信技術。

参考文献

[1] ”IEEE Standard for High Data Rate Wireless Multi-Media Networks Amendment 2: 100 Gb/s Wireless Switched Point-to-Point Physical Layer”、Sep, 2017,  https://standards.ieee.org/ieee/802.15.3d/6648.

[2] H. Hamada et. al., “300-GHz-band 120-Gb/s wireless front-end based on InP-HEMT PAs and mixes,” IEEE J. Solite-State Circuits, vol. 55, No. 9, pp. 2316-2335, Sep. 2020.

[3] A Renau et. al., “Full frequency duplex link over 645m in the 300 GHz band”, Journée du Club Optique Micro-ondes (JCOM 2023), June, 2023, https://hal.science/hal-04160795/document.

[4] Y. Morishita et. al., “300-GHz-band self-heterodyne wireless system for real-time video transmission toward 6G,” in Proc. 2020 IEEE International Symposium on Radio-Frequency Integration Technology (RFIT), pp. 151–153, Sep. 2020.

研究プロジェクトについて

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）の革新的情報通信技術研究開発委託研究(JPJ012368C00302 および JPJ012368C04901)および科学技術振興機構（JST）先端国際共同研究推進事業 ASPIRE (JPMJAP2324)により実施したものです。　

このたび、早稲田大学の研究者6名が、科学技術分野で顕著な功績があったとして、「令和7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。

ケミカルループ法で化学原料製造と二酸化炭素再資源化を交互に実現

発表のポイント

• 従来の化学プラントは多くの場合、高温大型でしたが、ケミカルループ法^※1によって低温・小型分散化が可能になります。
• 高度な分析と計算化学により、化学品製造と二酸化炭素の再資源化が交互に同時に実現できる高効率材料を発見しました。
• これらにより、従来のものより低温で小型分散型なプロセスにより化学原料製造と二酸化炭素再資源化が同時に実現可能になるとともに、その際に製造した化学原料であるエチレンと、二酸化炭素の再資源化は交互に分離して行われるため分離精製が簡略化できるようになります。

概要

インジウム酸化物という材料は、酸化と還元が起こりやすいという特徴を持つ固体酸化物材料で、薄膜系材料合成や液晶、半導体系材料の合成に重要な役割を果たすものです。
学校法人早稲田大学（理事長：田中 愛治、以下「早稲田大学」）大学院先進理工学研究科博士後期課程の渡辺 光亮（わたなべ こうすけ）氏ならびに同大学理工学術院の関根 泰（せきね やすし）教授らの研究グループとＪＸ金属株式会社の研究グループは、インジウム酸化物の表面を他の元素で修飾することで、容易に還元可能な表面を作りうること、その際に表面でたくさんの酸素を出し入れすることができることを見いだしました。
さらに、Ni-Cu合金^※2の微粒子を表面に載せた材料は、873 Kという従来より大幅な低温にて、固体材料表面の格子酸素によるエタンの酸化的な脱水素によるエチレン（基幹化学原料^※3）の製造（下記式1）と、その後に消費された表面酸素の復元のための二酸化炭素による再酸化、その際に同時に二酸化炭素が再資源化されること（下記式2）を発見しました。

式1：C₂H₆(エタン) + V_ox(格子酸素) →C₂H₄(エチレン) + H₂O + O_lat(格子の欠陥)
式2：CO₂ + O_lat(格子欠陥) →CO + V_ox(格子酸素)

このように、交互に2種類のガスを流すことで酸化と還元を繰り返す方法は、ケミカルループ法と呼ばれ、近年注目されています。^※a今回の材料は大きな表面酸素容量（材料全体の重量に対して4wt%以上）を有し、インジウム種の酸化還元に関連してNi-Cu二元合金とNi-Cu-In三元合金^※4間の動的な変化によって実現されました。入念な材料スクリーニング、特性評価、理論計算により、Ni-Cu合金がエチレンを生み出し、還元されたインジウム種の取り込みによって酸化還元を促進することが明らかになりました。

本研究成果は、2025年3月26日にアメリカ化学会発行の「ACS Catalysis」にオンライン版で公開されました。

これまでの研究で分かっていたこと

これまでのエチレン製造は、エタンガスの高温での分解（エタンクラッキングと呼ばれる）が商業的に行われてきましたが、非常に温度が高く、炭素が大量に生成されるプロセスでした。^※bまた、二酸化炭素の再資源化による一酸化炭素^※5製造は、逆水性ガスシフトと呼ばれる水素による高温（800度以上）での還元であり、こちらも大量の水素を必要としつつ、高温耐性を有する高価な材料を必要としていました。
一方で固体酸化物材料は、水素や炭化水素などの還元性を有するガスに高温で接触させると、表面が還元されること、ならびに空気や酸素などの酸化剤を高温で接触させると表面が酸化されることは古くから知られてきました。これを活かして、上記の2つの反応である化学品合成と二酸化炭素再資源化を交互に行うことに世界で初めて成功しました。

今回の研究で実現したこと

本研究では、あらたな固体酸化物材料を開拓し、早稲田大学での実験研究と計算化学によってエタンガスの脱水素によるエチレン合成とその後に引き続いた二酸化炭素による表面再酸化と資源化を交互に繰り返すことができることを見いだしました。これによって、従来と比較して大幅に温度を下げることができ（＝材料選定が楽になる）、外部からの水素を必要としなくなり（＝コスト低減）、かつ生成物を自動的に分離することができることとなりました。

研究の波及効果や社会的影響

従来はエチレン製造、二酸化炭素の再資源化による一酸化炭素製造のいずれも800度を超える高い温度を必要とし、それぞれ独立に行われるので、エネルギーを大量に消費する反応でした。今回の発見により、これら2つの反応を、600度というステンレス系の安い材料を用いることができる低い温度でも、充分に高い転化率で進めることができるようになりました。この際に、従来課題となっていた炭素の生成は起こらず、外部水素も不要となり、生成物は交互に出てくるため分離も不要となりました。この技術は、化学品製造と二酸化炭素再資源化を同時に行いたい化学企業などによって実用化が大いに期待されるところです。

今後の課題

化学産業で交互に流すというプロセスは、これまであまりメジャーではありませんでした。今回の発見により、化学品合成と二酸化炭素の再資源化による一酸化炭素製造という2つの重要な反応を、同時かつ交互に進めることができるようになりました。さらにガス分離も不要なため、全体としての効率向上も期待できます。今後、プロセス全体としての効率を高める工夫を考えていくことが期待されます。

研究者のコメント

化学工業の世界はオンデマンド化、小型分散化が苦手と言われ、大型で高温のプロセスが多用されてきました。ケミカルループ法は大規模化には向かず、むしろ小規模分散型を得意とします。次世代の化学プロセスでこういった技術が利用されることを期待しています。

用語解説

※1　ケミカルループ法：
固体材料の気体による酸化と還元をそれぞれ独立した条件で行い、これを繰り返すことで従来の気体の固体触媒上での反応に比べて低温化が可能で、生成ガスの分離が不要になる手法。
※2　 Ni-Cu合金：ニッケルと銅が互いに混じり合った合金。
※3　基幹化学原料：ポリバケツや医薬品など様々な化学物質の原料となる化合物。
※4　Ni-Cu-In三元合金：ニッケルと銅とインジウムが互いに混じり合った合金。
※5　一酸化炭素：
化学構造としてCOと書ける分子で、反応性が高いためあらゆる化学品（燃料・医薬品原料・化粧品・塗料など）の原料となり得る。

参考文献
※a Fast oxygen ion migration in Cu-In-oxide bulk and its utilization for effective CO2 conversion at lower temperature, Chemical Science, 12, 2108-2113, 2021. doi: 10.1039/d0sc05340f
※b Catalytic conversion of ethane to valuable products through non-oxidative dehydrogenation and dehydroaromatization, RSC Advances, 10, 21427-21453, 2020. doi: 10.1039/D0RA03365K

論文情報

雑誌名：ACS Catalysis
論文名：Oxidative Dehydrogenation of Ethane Combined with CO₂ Splitting via Chemical Looping on In₂O₃ Modified with Ni-Cu Alloy
執筆者名： 渡辺　光亮¹、比護　拓馬¹、七種　紘規¹、松本さくら¹、三瓶　大志¹、磯野　雄生²、下宿　彰²、古澤　秀樹²、関根　泰¹
１：早稲田大学
２：ＪＸ金属株式会社
掲載日：2025年3月26日
掲載URL： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.4c07737
DOI：https://doi.org/10.1021/acscatal.4c07737

研究助成

JST-ALCA-Next 番号 23836167
科研費 Grant Number JP24KJ2090
JST SPRING B2R101263202

土壌中でのナノプラスチックの土粒子への吸着性を評価
土壌中ナノプラスチックの移動挙動の解明に一歩前進

発表のポイント

• ゼータ電位とpHの異なる土壌中でのポリスチレンナノプラスチックの吸着性を評価
• 一定の条件下でナノプラスチックを吸着した土粒子が凝集し、粒子サイズが増大することを確認
• 土壌中のナノプラスチックの移動挙動の解明が生態系への影響評価に貢献

概要

立研究開発法人 産業技術総合研究所（以下「産総研」という）ネイチャーポジティブ技術実装研究センター 土田恭平 研究員、原淳子 研究チーム長、地圏資源環境研究部門 井本由香利 主任研究員、斎藤健志 主任研究員、早稲田大学 創造理工学部 環境資源工学科 川邉能成 教授は土壌中ナノプラスチックの移動挙動の解明を目的として、ナノプラスチックの凝集性や土粒子への吸着性と、土壌種の特性やpHとの関係を明らかにしました。

ナノプラスチックは粒子サイズが1～1000 nmのプラスチックで、土壌中にも多数存在している可能性があり、ヒトの健康への影響も大きいことが懸念されています。しかし、土壌中のナノプラスチックが土壌間隙に蓄積したり土粒子に吸着したりするなどしてどの程度その場に滞留するか、逆に、どの程度移動するかは明らかにされていません。

本研究において、絶対値が大きな負のゼータ電位をもつポリスチレンからなるナノプラスチックの場合、正のゼータ電位を有する土粒子には吸着しやすいことを実験的に確認し、酸性条件下ではさらにその吸着性が高くなることを明らかにしました。また、土粒子にナノプラスチックが吸着することで、土粒子自体が凝集して粒子サイズが大きくなることを確認しました。この結果から、正のゼータ電位を有する土壌に存在するナノプラスチックは、特に酸性条件下において、その場に滞留しやすく移動しにくいと推察されます。本成果により、土壌中ナノプラスチックの移動挙動が解明でき、ナノプラスチックの生態系への影響評価に貢献することが期待されます。

なお、この技術の詳細は、2025年4月4日に「Science of The Total Environment」に掲載されます。

下線部は【用語解説】参照

研究の社会的背景

ごみの不法投棄や河川の氾濫、農耕地でのプラスチックの利用、建築や土木工事に利用された資材の劣化や摩耗などに起因して、マイクロプラスチックが環境中へ流出していることが報告されています。陸上に存在するマイクロプラスチック量は海洋の4～23倍と推定されており、土壌中に多量のマイクロプラスチックが存在している可能性があります。また、ナノプラスチックはマイクロプラスチックが粉砕されることで生成され、マイクロプラスチックと同様に環境中に多く存在していると考えられます。

ナノプラスチックはマイクロプラスチックよりも動物や植物など生態系への影響が大きい可能性が報告されています。また、ナノプラスチックはその小ささから比表面積が大きく重金属類や残留性有機汚染物質を吸着しやすいため、汚染物質を吸着・脱着しながら土壌中を移動することで、汚染物質輸送を媒介する可能性があります。プラスチック生成時に使用された添加剤などの有毒成分がナノプラスチックから土壌へ浸出することで新たな汚染が生じる可能性もあり、ナノプラスチックによる生物多様性の損失が懸念されています。

研究の経緯

産総研と早稲田大学は、地圏環境中プラスチックの生態系への影響評価を目指しており、プラスチックと化学物質との相互作用や環境中のプラスチック分布状況の調査や新規測定手法の開発を行ってきました。ナノプラスチックはその小ささから生態系への影響を評価することが難しく、移動挙動についてはほとんど明らかにされていません。土壌中のナノプラスチックは凝集性が高いと粒径が大きくなるため移動しにくくなり、土粒子に吸着することでも移動しにくくなると考えられます。また、ナノプラスチックが吸着した土粒子が凝集することで土粒子は土壌間隙に滞留しやすくなり、ナノプラスチックはさらに移動しにくくなる可能性があります。そこで今回は、土壌中のナノプラスチックの移動挙動の解明を目的として、ナノプラスチックを含んだ土壌のpHの違いによるナノプラスチックの凝集性と、その土粒子への吸着性、また、ナノプラスチックが吸着した土粒子の凝集性の評価を行いました。

研究の内容

本研究では、梱包材などで広く一般的に使用されているポリスチレンのナノプラスチック試料を使用し、黒ぼく土と砂質土の２種類の土壌中での土粒子への吸着性の評価を行いました。ポリスチレンのナノプラスチックは、pH4, pH７, pH10において-31.8 mV, -52.1 mV, -60.0 mVと絶対値が大きな負のゼータ電位をもつため、土壌のpHに関わらずナノプラスチック同士が反発し凝集性は低くなります。一方で、黒ぼく土と砂質土のゼータ電位は、pH7においてそれぞれ19.9 mVと-23.6 mVでした。これらの土壌とナノプラスチック懸濁液を混合、振とうしたところ、黒ぼく土の方が砂質土よりナノプラスチックの吸着性が高いことが示されました。また、その時のプラスチック懸濁液のpHをpH4, pH7, pH10と変化させたところ、黒ぼく土においてはpHの値が低いほどよりナノプラスチックの吸着性が高くなり、砂質土におけるナノプラスチック懸濁液のpHはナノプラスチックの吸着性に影響しないことが示されました（図1）。

これらの結果は、ナノプラスチックと黒ぼく土のゼータ電位がそれぞれ負と正であったことから、粒子同士が引きつけあったためと考えられます。また、黒ぼく土の方が砂質土より比表面積が大きかったことも黒ぼく土の吸着性が大きかった要因であると考えられます。さらに、黒ぼく土のpH4, pH７, pH10におけるゼータ電位は36.6 mV, 19.9 mV, 4.02 mVとpHが低くなるほど増加する傾向があったこととも整合します。一方、砂質土においては、pH4, pH７, pH10におけるゼータ電位は-18.0 mV, -23.6 mV, -42.3 mVとpHが低くなるに従い絶対値は小さくなるものの一貫して負であったことから、pHによらず負のゼータ電位をもつナノプラスチックと反発しあったものと考えられます。

次に、両土壌種の土粒子の粒子サイズがナノプラスチックと混合することで、また、pH4, pH7, pH10とナノプラスチック懸濁液のpHを変えたことでどのように変化するかを調べました（図2）。黒ぼく土の場合は、ナノプラスチックが吸着したことにより粒子サイズが増大し、pHが低い方がより増大したことがわかりました。一方で、砂質土においてはナノプラスチックと混合したことで、また、ナノプラスチック懸濁液のpHを変えたことで粒子サイズに変化はありませんでした。この時、黒ぼく土へナノプラスチックが吸着したことで、黒ぼく土のゼータ電位はpH7で19.9 mVから-9.85 mVへ変化していました。ゼータ電位の絶対値が小さくなったことで、粒子同士が反発する力が弱くなり土粒子の凝集性が増加したと考えられます。土粒子の凝集性が高くなると、土粒子に吸着したナノプラスチックは土壌間隙に詰まりやすくなり、その場に滞留しやすく移動しにくいと推察されます。

以上から、正のゼータ電位を有する土壌に存在するポリスチレンからなるナノプラスチックは、特に酸性条件下においてその場に滞留しやすく移動しにくいこと、逆に、負のゼータ電位を有する土壌においては移動しやすいことが推察されます。

今後の予定

今後は、ナノプラスチックの土壌間隙への蓄積や土粒子への吸着現象を考慮した、カラム通水試験やシミュレーションモデルの開発を行うことで、より詳細な土壌中のナノプラスチックの移動挙動を明らかにし、ナノプラスチックの生態系への影響評価に貢献します

用語解説

ナノプラスチック
大きさが1～1000 nmのプラスチックのこと。大きさが5 mm未満のマイクロプラスチックより人体への影響が大きい可能性がある。

ゼータ電位
粒子表面の帯電状態を表すパラメータで、分散/凝集性を評価する指標になる。

黒ぼく土
日本でみられる土壌のひとつで、火山灰由来の土壌である。リン酸吸収係数が高く、畑などに広く利用されている。土地利用の状況によってpHは異なる場合がある。

論文情報

掲載誌：Science of The Total Environment
論文タイトル：Effect of solution pH on nanoplastic adsorption onto soil particle surface and the aggregation of soil particles
著者：Kyouhei Tsuchida, Yukari Imoto, Takeshi Saito, Junko Hara, Yoshishige Kawabe
DOI：10.1016/j.scitotenv.2025.178712

赤松健 文部科学大臣政務官が所千晴教授の研究開発現場を視察

2025年3月19日(水)、赤松健 文部科学大臣政務官らが、本学理工学術院創造理工学部長の所千晴教授を訪問し、リチウムイオン電池のリサイクルに係る研究開発現場を視察されました。

会の冒頭では理事の若尾真治教授、 理工学術院長の戸川望教授より本学の研究推進に係る紹介があり、その後所教授より、小型リチウムイオン電池の安全・安心な処理を目指した令和５年度東京都「大学研究者による事業提案制度」に提案された内容のほか、これまでの国による委託事業等を通じた資源循環を実現するための分離技術等、リサイクルを含むサーキュラーエコノミーの実現に向けた幅広い取り組みに係る紹介がありました。

その後所教授の実験室において電気パルスによる分離実験の実際のデモの様子を視察され、赤松政務官との間で実験条件や材料に関する詳細な意見交換がなされました。

後半のディスカッションの場では、所教授より自身の研究の将来展望について、利用者に近い内側の資源循環ループの確立に向けたリソーシングの重要性が指摘され、そのためには選択性・局所性の高い分離技術の研究開発が必要不可欠である旨のお話がありました。赤松政務官からは、適宜鋭いご質問をいただき、また所教授の研究について深いご理解・ご関心をいただき、大変有意義な意見交換となりました。

層厚を制御した人工強磁性細線の作製に成功
―人工強磁性細線を利用した大容量メモリや磁気センサ開発へ道筋―

発表のポイント

• 層厚を制御した多層構造をもつ人工強磁性細線を二浴電析法により作製に成功した。
• 層厚は最小で約3.5 nmの人工強磁性細線を作製できた。
• 人工強磁性細線を利用した大容量メモリや磁気センサ開発へ道筋を開いた。

概要

岐阜大学 大学院自然科学技術研究科の修士課程１年の川名梨央さん、修士課程修了生（令和５年度）大口奈都子さん、工学部 山田啓介准教授、吉田道之助教、杉浦隆教授、嶋睦宏教授、名古屋大学 大学院工学研究科 大島大輝助教、名古屋大学 未来材料・システム研究所 加藤剛志教授、早稲田大学 ナノ・ライフ創新研究機構 齋藤美紀子招聘研究員、早稲田大学 先進理工学部 本間敬之教授、京都大学 化学研究所の小野輝男教授の研究グループは、層厚を制御した多層構造をもつ人工強磁性細線⁽¹⁾の作製を二浴電析（電気めっき）法⁽²⁾と細孔ナノテンプレートを用いて成功しました。層厚は数100 nmから最小で約3.5 nmの多層構造を有する人工強磁性細線が作製できました。さらに研究グループでは、1本の人工強磁性細線の磁気抵抗を測定し、人工強磁性細線の層厚が薄くなるほど、磁気抵抗比が増大することを確認しました。本研究の成果は、人工強磁性細線を利用する次世代磁気メモリや磁気センサの開発化へ道筋を開くものです。

本研究成果は、2025年3月20日（木）付でApplied Physics Expressに掲載されました。

研究の背景

次世代の情報記録デバイス実現を目指すスピントロニクス⁽³⁾では、次世代磁気メモリの候補として三次元磁壁移動型磁気メモリが提案され、研究開発が行われています（図１参照）。三次元磁壁移動型磁気メモリの構想では、細線1本で数ビットの記録容量をもつ人工強磁性細線が配置された構造となっており（図1(左図)）、細線は記録層と磁壁層を交互に積層した多層構造になっています。中でも記録層はデータを保持する役割をもち、垂直方向の磁化の向きにより、データの0と1を区別します。一方、磁壁層は、記録層の磁化方向を緩やかに繋ぐ役割をもつ層として働く層で、磁壁層内の磁化は磁壁と呼ばれる磁化が緩やかに変化した領域となっています（図1(中図))。細線に電流を印加することで記録層のデータを動かし（図1(右図))、読み出し用の強磁性トンネル接合素子(Magnetic Tunneling Junction: MTJ)でデータを読み取ります。記録層と磁壁層として適している材料として、コバルト-プラチナ（Co-Pt）合金が計算による設計からわかっていましたが、メモリの開発に向け、メモリ素子となる人工強磁性細線の作製が一つの課題となっていました。

人工強磁性細線の作製として本研究グループでは、電析（電気めっき）法と細孔ナノテンプレートを用いた手法に注目しました。電析法を用いた多層構造細線では、以前にはパルス電析法⁽⁴⁾を用いた手法が多く報告されていました。しかしながら、細線の層厚を制御よく作製できた報告は少なく、多層構造細線の層厚の制御が課題となっていました。本研究グループでは、二浴電析法に注目し、層厚を制御した人工強磁性細線の作製を試みました。

研究成果

人工強磁性細線の作製は、材質がポリカーボネートの細孔ナノテンプレートを作用電極として加工し、コバルトとプラチナの濃度比が異なる電解質溶液を相互に電析する二浴電析法により作製しました（図2(a)参照）。電解質溶液は、組成比が異なる強磁性体であるコバルト-プラチナ（Co-Pt）合金を合成するために、濃度比が異なる2種類の電解質溶液を用いました。図2(b)に作製した人工強磁性細線の電子線回折による観察結果を示します。複数本の人工強磁性細線が像として写っており、Co₇₁Pt₂₉合金とCo₁₃Pt₈₇合金の層が綺麗に積層されていることがわかります。細線の直径は、約130 nm、Co₇₁Pt₂₉合金とCo₁₃Pt₈₇合金の1層の厚さの平均膜厚が11 nmでした。走査型電子顕微鏡による観察から細線の長さは最長で約19μ mmでした。試料作製の設計より、細線の積層数は最大で約1300層でした。

図3には、電子線回折による層厚の異なる人工強磁性細線の観察結果を示します。図3(a)～(d)は、Co₇₁Pt₂₉合金とCo₁₃Pt₈₇合金の1層の厚さ平均膜厚が、それぞれ、(a)約 80, (b) 35, (c) 17, (d) 3.5 nmの試料を示しています。図3の観察結果より、層厚を人工的に制御できていることがわかります。さらに図3(d)に示すように、層厚は最小で約3.5 nmの人工強磁性細線が作製できました。

図4には、1本の人工強磁性細線の磁気抵抗を測定した結果を示します。1本の細線に電極を微細加工とリフトオフ法により付けた試料の光学顕微鏡像を図4(a)に示します。電極を付けた1本の細線に電流と磁場を印加し、異方性磁気抵抗（Anisotropic Magnetoresistance: AMR) ⁽⁵⁾を測定しました。その結果、図4(b)に示すように、人工強磁性細線の層厚が薄くなるほど、磁気抵抗比が増大することを確認しました。その他の磁気抵抗測定においても細線内で磁壁移動を示唆できる測定結果が得られたことから、人工強磁性細線が図1に示す磁気メモリとして動作できることを確認できました。これらの結果より、人工強磁性細線を利用する次世代磁気メモリや磁気センサの開発へ繋がる結果を示すことができました。

本研究の意義・今後の展望

本研究では、層厚を制御した多層構造をもつ人工強磁性細線の作製を二浴電析法と細孔ナノテンプレートを用いて成功しました。層厚は、最小で約3.5 nmの人工強磁性細線が作製できました。加えて、1本の細線に電極を付け、人工強磁性細線の層厚が薄くなるほど、磁気抵抗比が増大することを確認しました。これらの結果は、人工強磁性細線を利用する次世代磁気メモリや磁気センサの開発化へ繋がる結果です。今回の成果は、二浴電析法で層厚を制御して数ナノメートルオーダーの強磁性体の積層が可能である技術を示しただけでなく、省エネルギー・高密度・超小型化の次世代情報記録デバイスであるマルチビットに対応可能な磁気メモリの開発へ前進となる結果を示すことができました。

用語説明

（1）人工強磁性細線：組成の異なる強磁性金属同士の層厚がnmオーダーで多層構造になった細線のこと。1980年代頃から研究が始まった「人工格子」（各層の厚さを原子層単位で制御して積層した人工的多層膜のこと）になぞらえて「人工強磁性細線」と名付けた。

（2）二浴電析法：2種類の電解質溶液を利用して電析する手法。異なる電解質溶液で電析を行い、異なる物質を積層させることができる技術。一方で、積層させる電極などを異なる電解質溶液間で物理的に移動させる必要がある。

（3）スピントロニクス：電子の持つスピンの自由度を利用することで、従来のエレクトロニクスに無い新機能・高性能素子の実現を目指す研究開発分野。

（4）パルス電析法：時間とともに電流（または電圧）を変化させる電析法で、パルス波形を用いた手法。析出物の表面形態、結晶粒径、構造を制御できる手法である。直流電流(または直流電圧)に比べて拡散層の厚さを薄くでき、高いパルス電流密度で電析することができる。

（5）異方性磁気抵抗（Anisotropic Magnetoresistance: AMR)：強磁性体の磁化の向きと電流方向のなす角度に依存して、電気抵抗が変化する現象。電流方向と磁化方向が平行の時が、電流方向と磁化方向が垂直の時と比べて電気抵抗が大きくなる。磁化方向は外部磁場によって方向を制御する。磁場(磁化)方向と電流方向が垂直の場合と平行の場合の磁気抵抗をそれぞれ測定し、その差から磁気抵抗比[%]を求める。磁気抵抗比が大きいほど磁気センサとしての感度が高いことを示している。

論文情報

雑誌名：Applied Physics Express
論文タイトル： Artificial control of layer thickness in Co-Pt alloy multilayer nanowires fabricated by dual-bath electrodeposition in nanoporous polycarbonate membranes
著者： Rio Kawana, Natsuko Oguchi, Daiki Oshima, Michiyuki Yoshida, Takashi Sugiura, Mikiko Saito, Takayuki Homma, Takeshi Kato, Teruo Ono, Mutsuhiro Shima, and Keisuke Yamada
DOI番号：10.35848/1882-0786/adbcf6

研究助成

川名 梨央（かわな りお）：論文筆頭著者
岐阜大学 大学院自然科学技術研究科 修士課程１年

大口 奈都子（おおぐち なつこ）
岐阜大学 大学院自然科学技術研究科 修士課程修了（令和 5 年度）

大島 大輝（おおしま だいき）
名古屋大学 大学院工学研究科 助教

吉田 道之（よしだ みちゆき）
岐阜大学 工学部 助教

杉浦 隆（すぎうら たかし）
岐阜大学 工学部 教授

齋藤 美紀子（さいとう みきこ）
早稲田大学 ナノ・ライフ創新研究機構 招聘研究員

本間 敬之（ほんま たかゆき）
早稲田大学 先進理工学部 教授

加藤 剛志（かとう たけし）
名古屋大学 未来材料・システム研究所 教授

小野 輝男（おの てるお）
京都大学 化学研究所 教授

嶋 睦宏（しま むつひろ）
岐阜大学 工学部 教授

山田 啓介（やまだ けいすけ）：論文責任著者
岐阜大学 工学部 准教授

研究サポート

本研究は、国立研究開発法人 科学技術振興機構（JST）の戦略的創造研究推進事業（CREST）「3次元磁気メモリの開発」（代表:小野輝男, 課題番号:JPMJCR21C1）の支援を受け実施された。本研究の一部は、日本学術振興会 科学研究費 基盤研究C（課題番号:24K08198）の支援を受け、また名古屋大学未来材料・システム研究所における共同利用・共同研究（課題番号:JPMXP1224NU0211）として実施された。