ノーマルビュー

オープンキャンパス追加募集 創造理工学部 環境資源工学科

著者: staff
2021年8月18日 14:13

2021年度オープンキャンパス

創造理工学部 環境資源工学科 の企画「環境資源」何でも相談室 について、

予約の追加募集を行います。次の内容をご確認の上、お申込みをお願いいたします。

まずは、次の連絡先に、以下のフォーマットを用いて(コピーして)、

メールでご連絡ください。

1.メールでの事前連絡

======================

●連絡先アドレス: [email protected] (環境資源工学科 大河内教授)

(1)氏名

(2)メールアドレス

(3)希望の相談応対者 ※AからCの選択肢の中で該当するものを、1つ残してください。

【選択肢】 A:教員 or B:学生(大学院生) or C:学部生(学部生)

(4)希望の相談日時

【選択肢】※①から⑦の選択肢の中で該当するものを、1つ残してください。

①8月18日(水)  14:00 – 15:00
②8月18日(水)  15:00 – 16:00
③8月19日(木)  10:00 – 11:00
④8月19日(木)  11:00 – 12:00
⑤8月19日(木)  13:00 – 14:00
⑥8月19日(木)  14:00 – 15:00
⑦8月19日(木)  15:00 – 16:00

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※時間や相談応対者に調整が必要な場合は、大学から連絡がございます。

メール連絡した後、

ご希望時間の開始5分前になりましたら、

ご希望の相談応対者の部屋ごとに入室ください。

 

2.Zoomへの入室

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Room A:教員部屋
https://us02web.zoom.us/j/86709649346?pwd=ZlVwZUpBRjNQam8xOTFvZ3lDUGFRQT09
ミーティングID: 867 0964 9346
パスコード: x5M9vR

——-
Room B:学生部屋(大学院生)
https://us02web.zoom.us/j/84668587693?pwd=OGJrYmZGWVNkS2hnWDZXelpLT2Y4dz09

ミーティングID: 846 6858 7693
パスコード: 404306

————-
Room C: 学生部屋(学部生)
https://zoom.us/j/95171969154?pwd=eFJPNzM0RXljM1RHSUp2NWJta0hsQT09
ミーティングID: 951 7196 9154
パスコード: 686487

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以上となります。

World’s First Transparent Fiber–Millimeter-wave–Fiber System in 100-GHz Band, Using Low-Loss Optical Modulator and Direct Photonic Down-Conversion

著者: contributor
2021年8月17日 14:03

World’s First Transparent Fiber–Millimeter-wave–Fiber System in 100-GHz Band

Using Low-Loss Optical Modulator and Direct Photonic Down-Conversion

Highlights

  • A 100-GHz band fiber–millimeter-wave–fiber transparent system was constructed based on direct millimeter-wave-to-optical conversion using a low-loss optical modulator with direct photonic down-conversion.
  • 70-Gbit/s high-capacity transmission over the transparent fiber–millimeter-wave–fiber system at 101 GHz was demonstrated using 64-QAM OFDM.
  • This demonstration opens the door for transparent fiber–millimeter-wave systems in the field of high-capacity, low-latency, and low-power consumption communications in the 5G and beyond era.

Abstract

The National Institute of Information and Communications Technology (NICT, President: TOKUDA Hideyuki, Ph.D.), Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd. (President: MOROHASHI Hirotsune), and Waseda University (President: TANAKA Aiji) jointly developed the first transparent fiber–millimeter-wave–fiber system in the 100-GHz band using a low-loss broadband optical modulator with direct photonic down-conversion. The developed broadband modulator and photonic down-conversion technology were utilized to successfully demonstrate a high-speed transmission of more than 70 Gbit/s over a wired and wireless converged system consisting of two optical fiber links and a 20 m radio link at 101 GHz.

The utilization of a low-loss broadband optical modulator for the direct conversion of a millimeter-wave signal to an optical signal*1 significantly simplified the millimeter-wave radio receiver because it included only a radio front end and an optical modulator. In addition, by adopting direct photonic down-conversion technology*2 for simultaneous detection and down-conversion of the signal to the microwave band, the fiber-radio receiver and the subsequent digital signal processing could be considerably simplified, thus rendering the proposed system a promising solution for high-capacity, low-latency, and low-power consumption fiber–wireless transmission in 5G and beyond networks.

The results of this demonstration were published as a post-deadline paper presentation at the 2021 International Conference on Optical Fiber Communications (OFC 2021).

Background

Fiber–wireless systems in high-frequency bands are a promising technology for inter-building connections, disaster recovery, and mobile transport networks, especially in 5G and beyond era. To date, most systems rely on the use of electronics-based receivers for radio-to-optical conversion, which generally feature less bandwidth and complicated antenna sites. Achieving fully transparent radio–optical conversion using photonic solutions is promising for increasing the transmission capacity and simplifying the antenna sites. However, the frequency of radio links in the previous systems that utilized the photonic conversion method was limited to below 90 GHz owing to the limited bandwidth of optical modulators. Recently, a plasmonic modulator was employed to realize a transparent bridge system in high-frequency bands. Generally, plasmonic modulators exhibit high insertion loss, which requires the use of optical amplifiers. However, this increases the optical noise, system cost, and the antenna site complexity.

On the other hand, most of the previous systems utilized coherent detection by using free-running lasers for signal detection at the fiber-radio receiver, which significantly increased the system complexity, frequency offset, and phase noise of the detected signal, thus requiring complicated digital signal processing algorithms for signal recovery. Therefore, employing a direct photonic down-conversion technology to simultaneously detect and down-convert the signal to the microwave band using a coherent two-tone optical signal generation*3 is promising for simplifying the system and reducing the cost and power consumption.

Achievements

In this work, we demonstrated the first transparent fiber–millimeter-wave–fiber system in the 100-GHz band (see Fig. 1) using two key element technologies: (i) a low-loss broadband optical modulator, and (ii) direct photonic down-conversion. For direct conversion of a millimeter-wave signal to an optical signal, we fabricated and employed a broadband modulator*4 for operation up to 110 GHz. This was achieved by performing Ti diffusion on the x-cut thin-film lithium niobate in the low dielectric constant layer. In addition, we employed a photonic down-conversion method based on a coherent two-tone optical signal generation technology to simultaneously detect and down-convert the signal to the microwave band. This significantly simplified the system and reduced the frequency offset and phase noise, as compared to systems utilizing coherent detection. Using the technologies developed in this study, we successfully transmitted 64-quadrature amplitude modulation (QAM) orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signal*5 with a line rate of 71.4 Gbit/s over a system consisting of two fiber links and a 20 m radio link at 101 GHz.

The system consists of the following key element technologies:

  • A broadband optical modulator with a low half-wave voltage and low loss in the high-frequency band for direct conversion of millimeter-wave signals to optical signals.
  • Direct photonic detection and down-conversion of signals to the microwave band utilizing coherent two-tone optical signal generation based on optical modulation technology.
  • High-spectral efficiency 64-QAM OFDM signal transmission.

The optical carrier for data modulation at the antenna site was remotely generated and distributed from the fiber-radio receiver, which significantly simplified the antenna site and eased its operation and management. In addition, owing to the use of direct photonic down-conversion and detection technology at the fiber-radio receiver, the frequency offset and phase noise of the detected signal could be largely suppressed. This considerably reduced the receiver complexity and the subsequent digital signal processing. The proposed system is promising for high-speed, low-latency, and low-power-consumption communication links in 5G and beyond networks.

Future Prospects

In the future, we will further study the millimeter-wave-to-optical conversion device and fiber wireless technology that were developed in this study to further increase the radio frequency and transmission capacity. In addition, we will promote international standardization activities and social implementation activities related to fiber wireless communication systems.

The paper containing the results of this demonstration was published at the 2021 International Conference on Optical Fiber Communication (OFC 2021, June 6 (Sun.) to June 11 (Fri.)), one of the largest international conferences in the field of optical fiber communications. It was highly evaluated and was presented in the Post Deadline session, which is known to release the latest important research achievements, on June 11 (Fri) 2021 local time.

References

International Conference: Optical Fiber Communications (OFC 2021) June 2021,
paper F3C.4 (Post Deadline Paper)

Title: Transparent Fiber–Radio–Fiber Bridge at 101 GHz using Optical Modulator and Direct Photonic Down-Conversion

Authors: Pham Tien Dat, Yuya Yamaguchi, Keizo Inagaki, Masayuki Motoya, Satoshi Oikawa, Junichiro Ichikawa, Atsushi Kanno, Naokatsu Yamamoto, Tetsuya Kawanishi

Glossary

*1 Direct millimeter-wave to optical conversion

It is a technology that converts a wireless signal in the millimeter-wave band to an optical signal without down-conversion of frequency. On the contrary, in the electronics-based conversion method, the millimeter-wave signal needs to be down-converted to a lower frequency signal in the microwave band before its conversion into an optical signal. The direct conversion of a millimeter-wave signal to an optical signal can be realized using a broadband optical modulator or plasmonic modulator. This significantly simplifies the antenna site.

*2 Direct photonic down-conversion

It is a technology used for detecting and down-converting a millimeter-wave signal to a microwave band signal using optical signals from the same light source. In this technology, a two-tone optical signal consisting of the two optical sidebands with a frequency separation that is approximately equal to the frequency of the millimeter-wave signal is generated from a single light source. One of the sidebands is modulated by the millimeter-wave signal, and an optical double-sideband carrier-suppressed signal is generated. One of the modulated sidebands is selected using optical filtering. Finally, the modulated and unmodulated sidebands are combined and input to a low-speed photodetector to be converted to an electrical signal in the microwave band.

*3 Coherent two-tone optical signal generation

This technology generates two coherent optical signals from the same light source using optical modulation technology. In particular, an optical signal consisting of odd or even order harmonic sidebands is generated by applying a clock signal to an optical modulator and controlling the bias voltage.

*4 Broadband optical modulator using thin-film lithium niobate

A broadband Mach–Zehnder modulator (MZM) can be fabricated using a thin substrate. In this work, we fabricated a broadband MZM, in which Mach–Zehnder interferometer waveguides were fabricated by Ti diffusion on the x-cut thin-film lithium niobate in the low dielectric constant layer. This was done to achieve ripple-free operation and maximized electro-optic responsivity up to 110 GHz. By thinning the substrate, as shown in Figs. 3(a) and (b), the frequency ripple due to mode coupling between the coplanar guided mode and substrate mode can be suppressed. The electrodes were also optimized to reduce electrical propagation loss to attain high sensitivity. The optical insertion loss, including fiber pigtails, is approximately 4.6 dB at 1550 nm. The half-wave voltage at 100 GHz is approximately 6.7 V, demonstrating a sufficiently low value for high-sensitivity conversion of a millimeter-wave signal to an optical signal at the antenna site.

*5 OFDM 64-QAM signal

OFDM is a digital multi-carrier modulation scheme that uses multiple subcarriers within the same single channel. Instead of transmitting a high-rate data stream using a single subcarrier, OFDM uses a large number of closely spaced orthogonal subcarriers that are transmitted in parallel. In this work, subcarriers are modulated with 64 QAM symbols, each of which consists of six input data bits.

Appendix

1. Configuration of the proposed system

Fig. 4 shows a schematic diagram of the proposed system, which includes six main parts: a fiber-radio transmitter, a millimeter-wave radio transmitter, a millimeter-wave radio receiver, a fiber-radio receiver, millimeter-wave-to-optical conversion, and signal down-conversion and detection.

(1) Fiber-radio transmitter

This block generates and modulates signals. A two-tone optical signal with a frequency separation of 91 GHz was generated using optical modulation technology. The two optical sidebands were separated, and one of them was modulated by a 10 GHz radio signal. The bias voltage to the modulator was controlled to generate only the upper modulation sideband. The modulated and unmodulated sidebands were combined to form a 101-GHz radio-over-fiber (RoF) signal.

(2) Millimeter-wave radio transmitter

After transmitting over a 20-km single-mode fiber, the RoF signal was up-converted to a 101-GHz millimeter-wave radio signal using a high-speed photodetector. The generated radio signal was emitted into free space using a millimeter-wave antenna.

(3) Millimeter-wave radio receiver

The millimeter-wave signal was received by another millimeter-wave antenna, amplified, and converted to an optical signal using the developed high-speed optical modulator.

(4) Fiber-radio receiver

Another two-tone optical signal with a frequency separation of 84 GHz between the two sidebands was generated. One of the sidebands was transmitted to a millimeter-wave radio receiver for data modulation.

(5) Millimeter-wave-to-optical conversion

The optical carrier signal generated at (4) was modulated by the 101 GHz millimeter-wave signal obtained from (3), and the bias voltage to the modulator was controlled to generate a double-sideband suppressed carrier signal. The modulated signal was transmitted to the fiber-radio receiver using a 10-km single-mode fiber link.

(6) Signal down-conversion and detection

One of the modulated sidebands from (5) was selected using optical filtering and combined with the unmodulated sideband of the generated two-tone optical signal from (4) to form an RoF signal with a center frequency of 17 GHz (= 101–84GHz). The signal was converted to a microwave band signal using a low-speed photodetector.

2. Experimental results

In the demonstration, an OFDM signal at 10 GHz was generated and transmitted over the system. The performance measured in terms of the error vector magnitude (EVM) for the 64-QAM OFDM signal is plotted in Fig. 5(a) for different signal bandwidths. Considering a forward error correction overhead of 20 %, which requires an EVM value of 11.2 %, a satisfactory transmission performance was experimentally confirmed for the OFDM signal with a bandwidth of 14 GHz or smaller. This confirmed that a line rate of 71.4 Gbit/s could be attained when transmitting a 14-GHz bandwidth signal that consisted of 4096 subcarriers, of which, 15 % were inactive at the band edges. The superior performance of the system using a 20 m radio link could be attributed to the better power adjustment of the fiber-radio transmitter. An example of the received signal constellation is shown in Fig. 5 (b).

物理の難問 量子スピン液体 を解明

著者: contributor
2021年8月17日 13:16

機械学習手法により物理の難問「量子スピン液体」を解明

スーパーコンピュータ「富岳」も用いた最先端の計算により実現

理化学研究所(理研)創発物性科学研究センター計算物質科学研究チームの野村悠祐研究員と豊田理化学研究所/早稲田大学理工学術院総合研究所今田正俊フェロー/上級研究員・研究院教授の共同研究チームは、機械学習を用いた世界で類を見ない高精度手法により、幾何学的フラストレーションのある量子スピン系の解析を行いました。そして、スピンの向きが絶対零度でも整列せずに、量子力学的に揺らぐ「量子スピン液体」相を発見・確証し、存在領域を特定しました。

本研究成果は、量子スピン液体中でスピンが分裂して生じる「スピノン」の性質を解き明かし、これを量子計算への応用につなげるとともに、現実物質で量子スピン液体を実現するための有用な指針を与えるものと期待できます。

人工ニューラルネットワークの一つである制限ボルツマンマシンの構造の概念図

今回、共同研究チームは、機械学習分野で用いられる人工ニューラルネットワークの一種である制限ボルツマンマシンと物理分野で用いられる強力な関数を組み合わせて、スピン間の高度な量子もつれを学習させる手法を構築しました。スーパーコンピュータ「富岳」などでこの手法を用いた大規模計算を行い、2次元正方格子上のフラストレーションのある量子スピン模型を世界最高レベルの精度で解析した結果、フラストレーションが強くなる領域において、量子スピン液体相の存在の確証を得ました。さらに、実現した量子スピン液体相の励起構造も調べ、通常のスピンの励起が分裂し、分裂した粒子が独立した粒子のように振る舞う分数化という現象を捉えました。

本研究は、オンライン科学雑誌『PhysicalReviewX』(8月12日付)に掲載されました。

詳細はプレスリリースをご覧ください。

論文情報

<タイトル>Dirac-type nodal spin liquid revealed by refined quantum many-body solver using neural-network wave function, correlation ratio, and level spectroscopy

<著者名>Yusuke Nomura and Masatoshi Imada

<雑誌>Physical Review X

<DOI>10.1103/PhysRevX.11.031034

研究支援

本研究は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費助成事業基盤研究(S)「強相関物質設計と機能開拓―非平衡系・非周期系への挑戦―(研究代表者:今田正俊)」、同若手研究(B)「強相関物質における格子自由度の役割解明とフォノンがもたらす機能物性の探索(研究代表者:野村悠祐)」、同基盤研究(B)「高次元データの次元圧縮によって実現する磁性と超伝導の第一原理計算(研究代表者:大槻純也)」、文部科学省「富岳」成果創出加速プログラム「量子物質の創発と機能のための基礎科学―「富岳」と最先端実験の密連携による革新的強相関電子科学(研究代表者:今田正俊)(課題番号:hp200132, hp210163)」、ポスト「京」重点課題(7)「次世代の産業を支える新機能デバイス・高性能材料の創成」サブ課題C「超伝導・新機能デバイス材料(研究代表者:今田正俊)(課題番号:hp170263, hp180170, hp190145)」による支援を受けて行われました。

また、本研究には東京大学物性研究所のスーパーコンピュータおよび理研のスーパーコンピュータ「京」、「富岳」が使用されました。

【応用数理学科】オープンキャンパス パネル展示

著者: staff
2021年8月17日 10:05

2021年度、早稲田大学のオープンキャンパスでは来場型イベントは残念ながら開催中止となりました。応用数理学科では、オープンキャンパスの期間中ご覧いただけるよう、研究室紹介のパネルをご用意しました。是非ご覧いただければ幸いです。
※研究室名をクリック/タップすると展示パネルが表示されます。

早水桃子研究室(離散数学) 三枝崎剛研究室(離散数学・代数的組合せ論)
生命科学を支える未来のデータ解析技術を作る -離散数学・離散アルゴリズムの世界 高次元図形の美しさ -符号・暗号理論への応用-
伊藤公久研究室(数理物質工学) 大石進一研究室(数値解析研究)
物質の数理構造と工学への応用 -BZ反応から日本刀まで 計算機によって数学の証明を行う精度保証付き数値計算学の確立を目指して
柏木雅英研究室(非線形解析研究) 清水泰隆研究室(確率過程と統計解析)
精度保証付き数値計算及びコンピュータグラフィックスに関する研究 確率微分方程式と統計的推測理論 -確率モデルで金融・保険の将来を予測する
小山晃研究室(物質の数理構造研究) 高橋大輔研究室(非線形波動・離散可積分系)
野生的空間の複雑さを数値化するには ソリトンから生まれたデジタル化手法 -冷えた方程式はデジタルの夢を見る
久藤衡介研究室(非線形微分方程式) 谷口正信研究室(統計的金融工学)
数理生物学に現れる微分方程式 -生物は餌の何倍まで生き残れるか?- 最適な統計推測に基づいた金融工学の構築
丸野健一研究室(非線形システム研究) 豊泉洋研究室(応用確率/オペレーションズリサーチ研究)
非線形現象の数理解析手法の開発 確率的な事象の本質を捉え、具体的なシステムのより良い使い方を提案
松嶋敏泰研究室(情報理論研究)
情報化社会を支える数学

新しいレイアウト自動生成技術を提案

著者: contributor
2021年8月6日 12:45

最適化による制約を満たしたレイアウトの生成手法を提案

マルチメディア分野のトップカンファレンス「ACM Multimedia」にて共著論文採択 

株式会社サイバーエージェント(本社:東京都渋谷区、代表取締役:藤田晋、東証一部上場:証券コード4751)は、早稲田大学(東京都新宿区、総長:田中愛治)の菊池康太郎(博士後期課程在籍)氏、コンテンツ作成のためのコンピュータグラフィックス研究で多数の実績を持つエドガー・シモセラ准教授、ならびに人工知能技術の研究開発組織「AI Lab」に所属する研究員の大谷まゆ・山口光太による共著論文が、マルチメディア分野の国際会議「ACM Multimedia 2021」※1 に採択されたことをお知らせいたします。

「ACM Multimedia」は世界中の研究者により開催されている学術会議で、マルチメディア分野で権威あるトップカンファレンスの一つです。このたび採択された研究は、2021年10月に開催される「ACM Multimedia 2021」で発表されます。

研究背景

「AI Lab」ではマーケティング全般に関わる幅広いAI技術を研究・開発しており、大学・学術機関との産学連携を強化しながら様々な技術課題に取組んでいます。

近年、深層学習を活用してグラフィックデザインを自動生成する技術が注目を集めており、様々な領域での応用が期待されています。なかでも「レイアウト自動生成技術」は、クリエティブ制作における工数削減の点で重要です。

一般的にレイアウト作成では、要素同士の重なりの禁止や要素配置の左揃えなど、様々なデザイン上の制約が課せられることがあります。これまでの研究では、このような制約に基づいたレイアウト生成を学習するために、制約を事前に決めて生成モデルを学習する手法が用いられていました。しかし、従来の手法では新しい種類の制約が生じた場合に生成モデルを学習し直す必要があるため、制約に柔軟に対応することが難しいという課題がありました。

このような背景のもと、本研究では、ユーザーから生じる様々なデザイン要求に対応するため、モデルが学習した尤もらしいレイアウトの中から、さらに新しい制約を満たすものを効率的に探索する方法を提案しました。

研究論文の概要

このたび採択された論文「Constrained Graphic Layout Generation via Latent Optimization」※2 では、グラフィックデザインを支援するための新たなレイアウト自動生成手法を提案しています。本提案手法では、最初に自動生成したレイアウトを、制約を満たすように更新することで、望んだレイアウトを生成することを実現しました。これにより、デザインに関する新たな制約が発生した際にも、生成モデルを一から学習し直す必要なく、効率的に自動生成を行うことが可能となります。

本研究では、最初に制約を仮定せずにレイアウトを自動生成するモデルを学習します。ここでレイアウトがサンプリングされる空間は「レイアウトの潜在空間」と呼ばれ、この空間中の1点はそれぞれ特定のレイアウトに対応づけられます。そしてある点を起点に、指定された制約を満たす領域に近い潜在空間上を探索していくことで、ユーザの指定した制約に沿うようなレイアウトに自動的に到達します。

レイアウトに対する制約の例としては、「重なりのないレイアウト」「画像やテキストの並び順」「大小関係を指定したレイアウト」などがあり、提案したモデルではそれらの制約に沿ったレイアウトを提示します。このアプローチにより、単一の生成モデルでさまざまな制約付きレイアウト生成に対応することが可能となります。

▼レイアウトの制約を満たす領域に近い潜在空間上を探索していく手法のイメージ

今後について

本研究成果を活用することで、「並びのきれいなデザイン」などを意図したレイアウトの自動生成が可能になるだけでなく、デザインの制約に広告効果の指標を取り入れることで、より「効果の高いデザイン」の自動生成への応用が期待できます。「AI Lab」ではこの技術を活用し、より効率的で高品質な広告作成を目指し、研究・開発に努めてまいります。

※1  ACM Multimedia

※2  Constrained Graphic Layout Generation via Latent Optimization

論文詳細

「Machine Learning for Language Learning」(2021/8/24)

著者: staff
2021年8月5日 17:07

演題:Machine Learning for Language Learning

日時:2021年8月24日(火)9:00-10:00

会場:Zoomによるオンライン講演会

講師:萩原 正人(Octanove Labs経営者・技術者・研究者)

対象:学部生、大学院生、教職員、一般の方

参加方法:参加無料、事前申込制

事前申込先:https://forms.office.com/r/VWB0gaKNpu

申込締切:2021年8月23日(月) 17:00

主催:英語教育センター

問合せ:早稲田大学 理工センター 総務課

TEL:03-5286-3000

早稲田大学 PoC Fund Program 2021年度 研究課題 5件の採択を決定

著者: contributor
2021年8月2日 12:24

早稲田大学アントレプレナーシップセンターでは本学の研究成果・技術シーズをもとにしたベンチャー企業の設立・事業化による社会実装をめざして、2020年よりPoC(概念実証)プログラム「早稲田大学 PoC Fund Program」を開始し、研究者の技術シーズをもとにした大学発ベンチャーの創出を支援しています。

本プログラムは早稲田大学提携ベンチャーキャピタルであるウエルインベストメント株式会社Beyond Next Ventures株式会社などの支援を得ながら、大学発ベンチャーの創出を目的とする支援プログラムと(タイプA 最大200万円の助成、タイプB 最大1000万円の助成)、2020年9月に本学が採択された科学技術振興機構(以下、JST)研究成果展開事業 社会還元加速プログラム(以下、SCORE)大学推進型を財源としたプログラム(タイプS 500万円(増額可)の二本立てのプログラムとなっています。

2021年度 研究課題5件の採択がついに決定

2年めとなる2021年度の学内公募は5月に締切られ、厳正な審査(1次:書面審査、2次:面接審査)を経て、研究課題5件(いずれもタイプS)の採択を決定いたしました。

採択された5件の研究課題は、ビジネスモデルの仮説立案検証や市場調査等のための研究開発費が支給されるほか、本プログラムが指定するアクセラレーターによる定期的な助言・支援(ハンズオン的支援)、各種トレーニングプログラム等の受講やピッチコンテストなどを通じて、ビジネスモデルのさらなる実現化・高度化を目指してまいります。

2020年度採択の研究課題からは既に起業が実現

2020年度タイプS研究課題の研究代表者(Demo Day終了後)

2020年度採択の研究課題5件は2021年3月の成果発表会Demo Dayをもって本プログラムによる研究活動を終えました。その成果として、三宅丈雄教授(情報生産システム研究科)による起業※が実現しています。 (※「ハインツテック株式会社」2021年7月起業)

アントレプレナーシップセンターは、早稲田大学 PoC Fund Program を通じて、研究成果をもとにしたベンチャー起業創出を加速させ、早稲田オープンイノベーション・エコシステムの実現をさらに推進していきます。

関連リンク

JST  研究成果展開事業 大学発新産業創出プログラム<社会還元加速プログラム(SCORE)大学推進型

【創造理工学部】 学科紹介・模擬講義・研究紹介

著者: staff
2021年7月21日 08:40

学科紹介

建築学科 総合機械工学科
経営システム工学科 経営システム工学科
経営システム工学科の歴史(1) 経営システム工学科の歴史(2)
 
社会環境工学科 環境資源工学科
地球・環境資源理工学専攻 社会文化領域

 

模擬講義

建築学科「設計演習A 建築のおみやげ課題講評会」 建築学科 「設計製図IIIa(学部3年生後期)課題講評会」
総合機械工学科「メカトロニクスラボでのロボットコンテスト」 総合機械工学科 「ビジュアルシンキング:ハンド」
総合機械工学科 「メカニカルエンジニアリングラボ:計測制御」 経営システム工学科「データ科学や人工知能が汎用ツールとなる時代の経営システム」
社会環境工学科 「都市・地域の計画」 社会環境工学科 「土木の風景」
社会環境工学科「空間デザイン演習(2018年)」 社会環境工学科 “Tsunamis and Storm Surges: Introduction to Coastal Disasters”
環境資源工学科 演示実験「メタンハイドレート燃焼実験」 環境資源工学科 演示実験「渦電流選別実験」
環境資源工学科「地圏エネルギー資源開発とジオメカニクス」 環境資源工学科「Fe-C系合金の組織観察」
環境資源工学科「空飛ぶマイクロプラスチックをつかまえる」 環境資源工学科 演示実験「身の回りの石の色をみてみよう」
環境資源工学科 演示実験「有害物質への曝露防止対策とフィットテスト」 環境資源工学科「文化財科学 アンコール遺跡の石材と劣化」
Major in Civil and Environmental Engineering “Disaster prevention & mitigation for sustainable society” 建築学科 「擬洋風建築について クラークの家、清水喜助と三井組、松本開智学校、中込小学校」
経営システム工学科 「ノーベル賞とオペレーションズ・リサーチ」 環境資源工学科 「資源循環型社会に寄与する分離技術」

 

研究紹介

総合機械工学科 オンライン研究室見学 Waseda Researcher – Hiroyasu Iwata
経営システム工学科「品質マネジメント研究室~ヒット商品の開発から医療事故まで」 経営システム工学科 「ソフトウェア工学研究室~安全・安心なソフトウェアを目指して」
経営システム工学科「マーケティング科学研究室~消費者の動きを見極める」 経営システム工学科「統計科学研究室~データに語らせる」
経営システム工学科「人間生活工学研究室~生活者を起点にしたシステム設計」   経営システム工学科「システム科学研究室~ビジネス複雑性下での意思決定支援」
経営システム工学科「オペレーションズ・リサーチ研究室~社会の問題を最適化手法で解決する」 経営システム工学科「生産システム工学研究室~スマート工場からサイバーマルシェまで」
経営システム工学科「計画数理学研究室~日常生活・実社会の意思決定を科学する」
経営システム工学科「ロジスティック・エンジニアリング研究室~実践・実効 輸配送ルートの設計」
経営システム工学科「情報数理応用研究室~先進的な機械学習モデルを駆使したデータサイエンス」 Waseda Researcher – Chiharu Tokoro
研究者インタビュー「最先端のシミュレーション技術(前編)」 研究者インタビュー「最先端のシミュレーション技術(後編)」

 

【基幹理工学部】 学科紹介・模擬講義・研究紹介

著者: staff
2021年7月20日 08:26

学科/専攻(大学院)紹介

数学科 応用数理学科
機械科学・航空宇宙学科
電子物理システム学科
情報理工学科 情報通信学科
表現工学科 材料科学専攻

 

模擬講義

数学科「行列の話」
 応用数理学科 「生態学の応用数理-生物は餌の何倍生き残れるか?」
 
電子物理システム学科 「教室のどこに座れば先生から目立たないのか? ==スカラー積で考えてみる==」 電子物理システム学科 「情報通信システムと物理限界」
電子物理システム学科 「光と電波で滑走路を見張る」 情報理工学科 「仮想化とソフトウェア駆動社会」
情報理工学科 「検索エンジンの仕組みと課題」 情報理工学科「データマイニング −ビッグデータ処理の基礎−」
情報通信学科 「コンピュータによることばの理解・処理~真の人工知能の実現を目指して~」
Major in Mathematics “Mathematics in Action” Major in Computer Science and Communications Engineering “A mini- introduction to information theory: What is the weight of information?”

 

研究紹介

機械科学・航空宇宙学科 最先端研究紹介 機械科学・航空宇宙学科 実験の様子
情報理工学科 清水研究室 Waseda Researcher – Hironori Washizaki
Waseda Researcher – Tetsuya Ogata 表現工学科 橋田研究室
VRでフェンシング体験 – 表現工学科 河合研究室・フェンシング部によるコラボ企画

 

【先進理工学部】 学科紹介・模擬講義・研究紹介

著者: staff
2021年7月16日 17:49

学科紹介

物理学科 応用物理学科
化学・生命化学科
応用化学科
生命医科学科
電気・情報生命工学科

 

模擬講義

物理学科・宇宙物理学 物理学科・物性物理学
物理学科・生物物理学
応用物理学科 「水で・熱で回る液晶」
化学・生命化学科「人工知能が化学物質をつくる」 応用化学科「身の回りで活躍する高分子:分子をつなぐとどうなる?」
応用化学科「水素をコンパクトに貯蔵する」 応用化学科「化学数学」
生命医科学科 「有機化学A」 生命医科学科 「分子細胞生物学B」
電気・情報生命工学科「パワーエレクトロニクスと電動モビリティ」 電気・情報生命工学科「リチウムイオン電池で電気エネルギーを有効利用する」
電気・情報生命工学科 「RNA研究の最前線」 電気・情報生命工学科 「脳神経生理・病理学」
Major in Physics “Introduction to Cosmic Rays and the CALET Space Mission Major in Chemistry “Sustainable Chemistry for Humanity”

 

研究紹介

化学・生命化学科 中田研究室紹介
Waseda Researcher – Suguru Noda
電気・情報生命工学科 林研究室 Waseda Researcher – Yasushi Sekine

 

先進トップランナー

学生生活紹介

応用化学科 学生による学科紹介 生命医科学科 学生生活紹介(学部1~3年)
生命医科学科 学生生活紹介(学部4年~修士課程) 生命医科学科 学生生活紹介(博士後期課程)

 

時間に伴う細菌相互作用の変化を推定

著者: contributor
2021年7月15日 17:50

時間経過に伴う細菌相互作用の変化を推定する手法を開発

発表のポイント

  • これまでの手法は時間の経過に伴う細菌相互作用の変化を推定できなかった。
  • 時間の経過に伴う細菌相互作用の変化を推定する手法Umibatoを開発した。
  • 自然環境の生態系の解明や、近年急速に解明が進んでいるヒト常在菌叢の長期的な変化の追跡において活用が期待される。

早稲田大学大学院先進理工学研究科後期博士課程3年の細田 至温(ほそだ しおん)氏と、同大理工学術院の浜田 道昭(はまだ みちあき)教授らの研究グループは、時間の経過に伴う細菌相互作用の変化を推定することができる手法Umibato (unsupervised learning-based microbial interaction inference method using Bayesian estimation)を開発しました。

これまで細菌相互作用を推定するために用いられていた手法は、細菌相互作用が時間に伴い変化しないことを前提としていたため、時間の経過に伴い細菌相互作用が変化していることを推定することができませんでした。今回開発した手法により、細菌叢の時系列データ解析においてこれまで見過ごされてきた細菌の関係性の変化を捉えることが可能になります。将来的には、自然環境の生態系の解明や、近年急速に解明が進んでいるヒト常在菌叢の長期的な変化の追跡において活用されることが期待されます。

本研究成果は、2021年7月末に開催される計算生物学のトップの国際会議であるISMB/ECCB2021の口頭発表に受理されました。論文はISMB/ECCB2021の予稿として2021年7月12日(月)(現地時間)に『Bioinformatics』に掲載されました。

論文名:Umibato: estimation of time-varying microbial interaction using continuous-time regression hidden Markov model

(1)これまでの研究で分かっていたこと

細菌相互作用は、栄養のやりとりなどにより細菌同士が影響し合う現象です。細菌相互作用は代謝ネットワーク※1を構成する要因として宿主の健康に影響することが示されており、重要な研究対象となっています。これまでの研究では、細菌相互作用を推定するために、一般化ロトカ・ヴォルテラ方程式※2という微分方程式をベースとしたモデルが広く使われてきました。しかしこの方程式は細菌相互作用が時間に伴い変化しないことを前提としていました。そのため、何らかの環境条件が変化しそれに伴い細菌相互作用が変化するような場合に適用ができませんでした(図1)。現に、異なる栄養条件下では細菌相互作用が異なるということがすでに報告されており、この欠点は致命的でした。

図1:時間変化する相互作用と従来手法による推定結果の概念図。赤い矢印は細菌が増加するような寄与、青い矢印は細菌が減少するような寄与を示す。真の細菌相互作用が時間に伴い変化しているにもかかわらず、従来手法では時間変化を考慮していないためにそれらを推定できない。

(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

一般化ロトカ・ヴォルテラ方程式に細菌相互作用の時間変化を導入し、それらを統計モデルにより推定することを考えました。この手法により時間変化する細菌相互作用を推定できるようになりました。この手法の妥当性を人工データによる実験により検証しました。結果として、細菌相互作用が時間変化しない場合では既存手法の性能と提案手法の性能は近いものであったのに対し、時間変化する場合では提案手法の性能が既存手法より高いことが確認できました(図2)。

図2:人工データにおける性能評価。横軸はデータセットを示し、縦軸は真のパラメタと推定されたパラメタの相関係数を示す。バーが高いほど性能が良いことを示す。左の結果は時間変化を考慮していないデータセットのもので、中央と右の結果は時間変化を考慮したデータセットのものである。それぞれの6つの棒グラフのうち左端2つは提案手法であるUmibatoの結果で、時間変化を考慮したデータセットで既存手法より性能が良いことが分かる。

また、マウスの腸内細菌叢データに適用したところ、マウスが低繊維食を摂っている間に主に現れる相互作用が観測され、食事と細菌相互作用の関連性が示唆されました(図3)。

図3:推定された相互作用の変遷。7つのグラフはそれぞれ異なるマウスの腸内細菌叢データに対応する結果で、Subject4とSubject7はコントロール、すなわち低繊維食を摂っていないマウスのデータである。横軸は時間を示し、縦軸は相互作用の種類と低繊維食を示す。低繊維食と5種目の相互作用(State5)の関連が見られる。

(3)そのために新しく開発した手法

隠れマルコフモデル※3を拡張した連続時間回帰隠れマルコフモデルを提案しました。また、このモデルのパラメタ推定アルゴリズムを導出しました。また、このモデルとガウス過程回帰※4による細菌成長率推定を用いて、時間変化する相互作用を考慮した一般化ロトカ・ヴォルテラ方程式に基づく細菌相互作用推定手法Umibatoを開発しました。

(4)研究の波及効果や社会的影響

複雑な挙動を見せることの多い時系列細菌叢データの解析においてこれまで見過ごされてきた細菌の関係性の変化を捉えることが可能になります。自然環境の生態系の解明や、近年急速に解明が進んでいるヒト常在菌叢の長期的な変化の追跡において大いに活用されることが期待されます。

(5)今後の課題

主な課題として、二つ挙げられます。一つは、更なる実データへの適用です。公開されているデータの制限から、今回はマウス腸内細菌叢データに対する適用に留まりましたが、Umibatoはあらゆる環境の時系列定量細菌叢データで適用可能な手法です。もう一つは、実験による推定された相互作用の検証です。本研究で推定された関係性を実験的に検証することで、推定された相互作用の解明に繋がると考えられます。

(6)研究者のコメント

本研究では、長い歴史を持ちこれまで広く使われてきた方程式を、現代的なデータに対しより合理的に扱えるよう昇華させることができたと感じています。バイオインフォマティクスにおいて、興味深いアルゴリズムは生物学的意義での実用性に欠けることも多いですが、本手法ではそれらを両立できたと思います。本手法が細菌叢研究の一助となり、自然環境やヒト常在菌叢の解明を促進できれば幸いです。

(7)用語解説

※1 代謝ネットワーク
ここでは微生物同士の代謝物のやりとりで構成されるネットワーク。たとえば、ヒト腸内細菌叢ではネットワークにより最終的に産生された代謝物がヒトに影響を与える。

※2 一般化ロトカ・ヴォルテラ方程式
捕食者と被捕食者の個体数を表現する微分方程式であるロトカ・ヴォルテラ方程式を一般化した微分方程式。捕食と被捕食のような関係性だけでなく、相利共生関係(AとBが互いに増加に寄与する関係)や寄生関係(AがBの増加に寄与、BはAの減少に寄与する関係)も表現できるため細菌叢解析でよく用いられる。

※3 隠れマルコフモデル
音声信号処理や配列解析でよく用いられる統計モデル。離散的な時系列のデータから隠れた情報の変遷を推定することができる。本研究で提案した連続時間回帰隠れマルコフモデルは隠れマルコフモデルの一種で、実時間のような連続的な時系列を扱えるよう拡張されたモデルである。

※4 ガウス過程回帰
ガウス過程という確率過程をベースとした回帰手法。柔軟な回帰を行うことができる。

(8)論文情報

雑誌名:Bioinformatics
論文名:Umibato: estimation of time-varying microbial interaction using continuous-time regression hidden Markov model
執筆者名(所属機関名):Shion Hosoda(早稲田大学、産総研・早大 生体システムビッグデータ解析 オープンイノベーションラボラトリ)、 Tsukasa Fukunaga(早稲田大学、研究当時:東京大学)、Michiaki Hamada(早稲田大学、産総研・早大 生体システムビッグデータ解析 オープンイノベーションラボラトリ)
掲載日(現地時間):2021年7月12日(月)
掲載URL:https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btab287
DOI:10.1093/bioinformatics/btab287

(9)研究助成

研究費名:科研費 特別研究員奨励費
研究課題名:確率モデルを用いたヒト腸内細菌叢構造の解明と応用
研究代表者名(所属機関名):細田 至温(早稲田大学)

研究費名:科研費 新学術領域研究(研究領域提案型)
研究課題名:逆イジングモデル法に基づく機能未知な微生物遺伝子の機能推定
研究代表者名(所属機関名):福永 津嵩(東京大学 当時)

研究費名:科研費 基盤研究(A)
研究課題名:リピート要素のde novo発見に基づく長鎖ノンコーディングRNAの機能の解明
研究代表者名(所属機関名):浜田 道昭(早稲田大学)

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