宮川和芳教授（基幹理工学部 機械科学・航空宇宙学科）が秋田県・東北小水力発電株式会社と共同で令和7年度「新エネ大賞」経済産業大臣賞（商品・サービス部門）を受賞しました。

一般財団法人新エネルギー財団（会長：寺坂 信昭）では、国内の企業・自治体・教育機関等に対して優れた新エネルギー等に係る機器の開発、設備等の導入、普及啓発、分散型エネルギーの活用及び地域に根ざした導入の取組みを「新エネ大賞」として表彰しています。新型水車（以下、「本商品」という）を共同開発した東北小水力発電株式会社、秋田県、学校法人早稲田大学（実施責任者：宮川 和芳教授）の共同チームは、令和7年度の新エネ大賞の最高賞にあたる経済産業大臣賞（商品・サービス部門）を受賞しました。

受賞者

秋田県産業労働部、東北小水力発電株式会社、学校法人早稲田大学

受賞テーマ

概要

表彰式

2026年1月28日（水）に東京ビックサイトで表彰式が行われました。宮川教授の益々の活躍が期待されます。

受賞盾を持つ秋田県、東北小水力発電株式会社、学校法人早稲田大学の共同チーム代表者。右端が理工学術院・宮川教授

国内初となる一般水力発電の調整力強化に向けた技術開発に関する
NEDO公募事業の採択および技術開発着手について
～再生可能エネルギーの拡大に伴う火力発電などにおける燃料費・CO₂排出量の大幅な低減を目指す～

一般財団法人電力中央研究所（本社：東京都千代田区、理事長：平岩芳朗）、東芝エネルギーシステムズ株式会社（本社：神奈川県川崎市、代表取締役社長：島田太郎）、学校法人早稲田大学（東京都新宿区、理事長：田中愛治）、国立大学法人信州大学（長野県松本市、学長：中村宗一郎）は、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（以下、「NEDO」）が公募した、国内初となる一般水力発電の調整力強化に向けた「電源の統合コスト低減に向けた電力システムの柔軟性確保・最適化のための技術開発事業（日本版コネクト＆マネージ2.0）^※1／研究開発項目3－2　水力発電の柔軟性向上のための技術開発」（以下、「本事業」）に応募し、採択されたため、このほど技術開発に着手しました。本事業は2028年度末まで行います。

太陽光発電や風力発電といった再生可能エネルギー（以下、「再エネ」）の導入拡大に伴い、電力の需給バランスを維持するための「調整力」として重要な役割を担ってきた火力発電の割合は、相対的に低くなっています。こうした状況において、火力発電と同じく同期発電機^※2である水力発電にはよりいっそうの期待が寄せられています。電力の需要と供給のバランスを維持するために、火力発電の出力や環境価値の高い再エネの出力を増減させるなどの調整力が必要となりますが、一般水力発電^※3が新たに調整力を発揮することにより、燃料費や再エネの出力制御量、CO2排出量といった社会コストの大幅な低減が見込まれます。

電力中央研究所では、2024年6月から2025年5月にかけて、NEDOの「電源の統合コスト低減に向けた電力システムの柔軟性確保・最適化のための技術開発事業（日本版コネクト＆マネージ2.0）／研究開発項目3　バイオマス発電・水力発電・地熱発電の柔軟性向上のための技術検討」を受託し、水力発電の柔軟性向上に関する調査を実施しました。この調査の結果、一般水力発電で新たな調整力を強化するには、溢水（いっすい）^※4と発電に用いられない無効放流量の増加に伴う発電量減少に起因する収益減と、振動などの水車各部への負担増加による劣化の問題を、技術開発により解決する必要があることを明らかにしました。

本事業では、これまでの調査結果を踏まえて、水力発電の柔軟性を向上させるための課題を整理し、中小型水車の標準設計に向けた設計・解析支援技術や、大型水車の極低負荷運転時の水車評価手法と最適運用・制御システムの開発などの下記事項に取り組みます。

※　早稲田大学の研究代表者は理工学術院・宮川和芳教授です。

各機関の役割

開発の概要

（１）水車の導入および運用に関わる解決すべき課題の整理
中小型水車は、電力系統に接続される水車の台数と発電出力を柔軟に調節し、調整力の強化に寄与することが求められます。そのため、従来に比べて起動停止や出力調整の頻度が増加し、過渡応答^※6による機器損傷や溢水リスクの上昇などが懸念されます。一方、大規模の水力発電所に適用される大型水車では、電力システムの柔軟性向上への対応のため、極低負荷を含む幅広い条件での運転が求められるようになります。設計流量から離れた低負荷領域などの非設計流量で運転する場合、キャビテーション^※7や旋回流^※8などの不安定現象が発生する場合があり、このような条件で頻繁に運転することでランナ^※9の壊食や流体振動などによる損傷リスクを増加させます。
これらの現象は様々な物理現象が相互に関与しているため、キャビテーションや旋回流のメカニズムや特性を詳細に調査し、体系化します。そして無負荷から最大出力までの全範囲において、安全な運転が確保できない範囲や条件を新たな知見を用いて精緻に見極め、これらを最小化するとともに回避する運用を行うことで水力発電の柔軟性向上に貢献します。

（２）中小型水車の標準設計に向けた設計・解析支援技術の開発
水車は落差や流量などの地点特性に応じた発電所固有の設計が必要となります。
また、中小型水車の設計においては、1次元解析による基本設計から3次元解析まで用いられますが、技術的・費用的なハードルが高く、これらの課題が新規導入に向けたチェインのボトルネックとなっています。
また今後は柔軟性の高い水車が求められることから、技術的なハードルはさらに高くなります。
そこで本事業では、中小型の水車開発の技術支援として、水車設計の標準化、設計開発に必要なツールの開発、模型試験プラットフォームの構築を行います。
水車設計の標準化では、フランシス・軸流・クロスフロー水車を対象とし、水車形状について、発電の柔軟性を高められるよう、無負荷から最大出力までの幅広い運転範囲において高効率で、かつキャビテーションや不安定現象への対策を講じた上で、水車比速度※10を基準に最適設計します。
設計開発ツールは、本事業を通して開発した、設計・解析のための技術およびソフトウェアを整備します。
模型試験プラットフォームは、標準設計水車の性能を実証するための試験設備として開発し、将来にわたり我が国の水車開発の基盤設備となるよう整備します。
これらの標準設計された水車形状や性能データ、設計開発解析ツールなどの成果物は国内の水車メーカーや発電事業者向けに公開します。これにより水車設計の難易度やコストを大幅に低減させ、中小型水車のチェイン改善に貢献します。

（３）大型水車の極低負荷運転の拡大に向けた評価手法と最適運用・制御システムの開発
大型水車において、水車の稼働状況が不安定になり、機器の損耗も激しくなることから、従来ある一定以下の極低負荷での運転は行っていませんでした。本開発では、より柔軟性を高めるため、大型水車で一般的なフランシス水車を対象とし、極低負荷での運転時の事象を分析する高度な流体解析シミュレーションや模型試験を行います。さらに、実際の水力発電所における水車の運転状態を計測し、キャビテーションや旋回流などの不安定現象を明らかにします。これらの結果と（１）で体系化する評価指標を用いて、安全で安定的に運転できる出力領域を判断する簡易評価手法を開発します。この上で、この評価手法を活用し、キャビテーションや旋回流により不安定となる出力領域を縮小する水車を開発します。
また、今後太陽光発電や風力発電などの増加により高速・高頻度な出力調整が求められ、機器の損耗が進行することが想定されます。そのため、デジタル技術を活用し、水流が不安定となる出力領域での運転状態を把握・監視した上で、損耗が激しくなる領域を特定します。その上で、蓄電池の充放電による補助的な出力調整と組み合わせ、特に摩耗が激しくなる領域での運転を回避することで極低負荷領域での運転を可能とする運用・制御技術（SPPS）を開発します。さらに、この運用・制御システムを用いた水力発電所における実証試験を行い、柔軟性向上に関わる検証を行います。

（４）中小型水車と大型水車に共通する課題の解決
中小型水車は主に起動停止による台数制御での柔軟性向上を目指しますが、水系全体の運用や電力系統の中での発電所の立地を考えると、起動停止による台数制御だけでは出力調整が困難になる場合も想定されるため、大型水車と同様に、極低負荷運転を可能とする対応が必要である場合も考えられます。
一方、大型水車においても、電力系統からの要求で高頻度の起動停止や高速な負荷調整などの柔軟な出力制御を行うためには、水路や管路などの特性を考慮して過渡応答に対応しなければならない場合もあります。
このように、中小型水車・大型水車それぞれで実施する取り組みが，他方にも効果を及ぼすことが考えられるため、受託機関は協力して中小型、大型水車双方に有効な技術体系を構築し、解決に取り組みます。

※１「2025年度「電源の統合コスト低減に向けた電力システムの柔軟性確保・最適化のための技術開発事業（日本版コネクト＆マネージ2.0）／研究開発項目3－2　水力発電の柔軟性向上のための技術開発」に係る公募について」
https://www.nedo.go.jp/koubo/FF2_100440.html

※2 火力発電機などの発電機は、電気を発生させるために回転子を回転させて発電する。この回転速度が電力系統の周波数と同期している発電機のこと。こうした発電機は、自らの回転子を一定回転に維持しようとする力を持ち、電気的な瞬時の変化に耐えることができ、電力系統の周波数や電圧安定性の維持などの役割を担っている。

※3 水力発電は、河川の流れやダムを利用して水のエネルギーを水車により機械エネルギーに変換し、さらに発電機により電気エネルギーに変化する発電システムである。その水のエネルギーを得る方式は、運用上、「流れ込み式」、「調整池式・貯水池式」、「揚水式」に分けられる。このうち揚水式を除くものを一般水力発電と言う。

※4　水力発電所で発電に使いきれなかった水が水槽や調整池から流出する状態。放水口や下流河川の水位上昇をもたらす。

※5　フランシス水車：水の圧力と速度をランナ（羽根車）に作用させる構造の水車。広い範囲（10～300メートル程度）の落差で使用できる。
軸流水車:水が羽根車の中を常に回転軸に平行に流れるようにできている水車。落差が小さく流量が多い地点に適している。
クロスフロー水車：フランシス水車と同じで、水の圧力と速度を利用する。クロスフローとは水がランナを交差し流れることを意味している。

※6 入力が変化した際に、出力が新しい定常状態に落ち着くまでの一時的な動きや変動のこと。

※7　水圧が低下した部分では低温でも水が沸騰し発生する水蒸気の微小な気泡。圧力が増加してキャビテーションが消滅する際には局所的・非常に短い時間に高温高圧となり、金属表面を削る現象はキャビテーション壊食と呼ばれる。

※8　水車を通過した水がランナ下流の吸出し管内を回転しながら流れる状態。圧力脈動や振動・騒音、エネルギー損失の増加をもたらす。

※9　水車の中で水圧と速度を利用して回転する羽根車。

※10 単位有効落差で単位出力を発生させるために必要な１分間当たりの回転速度。

分子の「長さ」で光の性質を自在に制御
～世界最長クラスのキラル発光ヘリセン分子の系統的合成に成功～

発表のポイント

• キラルならせん状分⼦である「ヘリセン」を、分⼦の⻑さを揃えて系統的に合成する新⼿法を確⽴しました。
• 窒素原⼦を含むヘリセン（7〜15環）を2⼯程で合成し、それらの有機溶媒への良好な溶解性と⾼い熱安定性を明らかにしました。特に15環体は、これまでに光学分割されたヘリセンとして世界最⻑クラスに相当します。
• 分⼦が⼀定の⻑さを超えると、円偏光発光の増大の仕方が大きく変わる「臨界⻑」と呼ばれる転換点が存在することを発⾒しました。
• 次世代の円偏光発光（CPL）材料設計における新たな指針となり、⾼度な光情報処理技術を⽀える円偏光発光材料への展開が期待されます。

近年、キラルな光である円偏光（Circularly Polarized Light：CPL）は、⾼輝度液晶ディスプレイの光源や、次世代の光情報通信、量⼦・スピンエレクトロニクスなどへの応⽤が期待されており、円偏光発光材料として機能する有機分⼦の開発が強く求められています。なかでも、芳⾹環がらせん状に連結したヘリセン分⼦^※1は、円偏光発光材料として注⽬されてきました。
しかし、ヘリセンの従来の合成法では市販試薬から多⼯程を必要とする場合が多く、合成の煩雑さや低収率が､⾼次ヘリセン研究の⼤きな障壁となっていました。また、ヘリセンは⽐較的⼤きな円偏光発光異⽅性因⼦^※2（glum値）を⽰す⼀⽅で、蛍光量⼦収率(ΦF)^※3が低いことが多く、発光材料としての実⽤化を妨げる要因でした。
阿南⼯業⾼等専⾨学校の⼤⾕卓（おおたにたかし）准教授、上⽥康平（うえだこうへい）准教授、早稲⽥⼤学理⼯学術院の呉 ⾬宸（ごうしん）助⼿、柴⽥⾼範（しばたたかのり）教授らの研究グループは、容易に⼊⼿可能な原料から2⼯程で分⼦の⻑さが異なる⼀連のらせん状低分⼦有機化合物であるヘリセンを系統的に合成する⼿法を開発しました(図1(a))。本研究では、7環から15環までのヘリセン分⼦の合成に成功し、分⼦の⻑さに応じて円偏光発光特性が⼤きく変化することを明らかにしました(図2)。すなわち、分子の長さが11環付近までは吸収・発光スペクトルが顕著に赤色移動し、円偏光発光の偏り（glum値）も急激に増大します。一方で、それ以上分子が長くなると、これらの変化の仕方が大きく変わることが分かりました。このことから、分子の長さに応じた光学特性の変化に「臨界長」と呼ばれる転換点が存在することを見いだしました。これは、分⼦が⼗分に⻑くなることで、分⼦内部の電⼦状態が三次元的に再編成されることを⽰しています。本成果は、分⼦の⻑さを設計変数として円偏光発光特性を制御できるという、新しい分⼦設計指針を提⽰するものです。

将来的には、⾼輝度液晶ディスプレイ⽤偏光光源、三次元ディスプレイ、光情報通信、セキュリティ材料など、⾼度な光情報処理技術を⽀える機能性有機材料への展開が期待されます。
本成果は、Wiley-VCH 社が発⾏する国際的化学学術誌Angewandte Chemie International Editionに掲載され、特に重要性と独創性の⾼い論⽂として“Hot Paper”に選出されました。

これまでの研究で分かっていたこと

キラルな光である円偏光（Circularly Polarized Light：CPL）は、⾼輝度液晶ディスプレイの光源や、次世代の光情報通信、量⼦・スピン光学技術などへの応⽤が期待されており、円偏光発光材料の開発が強く求められています。なかでも、芳⾹環がらせん状に連結したヘリセン分⼦は、不⻫^※4中⼼を持たずに強いキラル光学応答を⽰すことから(図１(b))、円偏光発光材料として注⽬されてきました。

しかし、ヘリセンは環数が増えるにつれて合成が急激に困難になることが知られており、特に10環式以上の⾼次ヘリセンでは、合成⼯程数の増加、低収率、溶解性の低下などが⼤きな課題でした。そのため、これまで報告されてきた⾼次ヘリセンの多くは、個別に設計された合成法によるものであり、分⼦の⻑さだけを系統的に変えた⽐較研究はほとんど⾏われていませんでした。

また、ヘリセンは⽐較的⼤きな円偏光発光異⽅性因⼦（g値）を⽰す⼀⽅で、蛍光量⼦収率が低いことが多く、発光材料としての性能には限界があるという課題もありました。特に⾼次ヘリセンでは、分⼦サイズが大きくなるとともに⾮放射失活の増⼤し、発光効率が低下する傾向が指摘されていました。

新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

本研究グループは、10環式以上の⾼次ヘリセンを効率よく合成でき、かつ分⼦⻑と光学特性の関係を体系的に検証できる合成基盤の確⽴を⽬指しました。そのために、含窒素芳⾹環を組み込んだ新しいヘリセン⾻格に着⽬し、簡潔で拡張性の⾼い合成戦略の開発に取り組みました。

本研究では、容易に⼊⼿可能な原料を基盤として、共通の前駆体からわずか2⼯程でヘリセン⾻格を構築する合成戦略を採⽤しました。この⼿法により、7環から15環まで、分⼦の⻑さのみが異なる⼀連のテトラアザヘリセンを系統的に合成しました。得られた化合物について、紫外可視吸収、蛍光、円⼆⾊性（CD）、円偏光発光（CPL）測定を⾏うとともに、理論計算（TD-DFT）による解析を組み合わせ、分⼦⻑と光学・キラル光学特性の相関を詳細に検討しました。さらに、1H-NMRスペクトル解析により、分⼦内部の構造変化についても検証しました。

その結果、7環から15環までのテトラアザヘリセンが、有機溶媒に対する良好な溶解性と⾼い熱安定性を有していることが明らかになりました。特に15環体は、これまでに光学分割されたヘリセンとして世界最⻑クラスに相当します。

光学特性の解析から、分⼦の⻑さが11環付近を境に、吸収・発光スペクトルはほぼ変化がなくなる⼀⽅で、円偏光発光特性が急激に増大する「臨界⻑」が存在することを⾒いだしました。最⻑の15環体では、⾼い蛍光量⼦収率と⼤きな円偏光発光異⽅性因⼦が同時に実現され、円偏光発光性能（CPL brightness）は既存のヘリセン系化合物を⼤きく上回る値を達成しました。

さらに理論計算の結果から、この特性向上は、分子が十分に長くなるにつれて、電子遷移に関与する遷移双極子モーメント(μe)と磁気遷移双極子モーメント(μm)の相対的な配向関係が次第に整い、円偏光発光に有利な条件へと最適化されていくことに起因することが分かりました（図3）。

研究の波及効果や社会的影響

本研究は、分子の「長さ」という非常に単純な要素が、光に対する挙動を大きく左右することを明確に示しました。これにより、これまで経験や試行錯誤に頼ることの多かった光機能性分子の設計が、確度の高い予見性をもって進められる研究へと変わる可能性を示しています。

さらに、本研究で用いた合成戦略は、容易に入手可能な原料を基盤としている点に特徴があります。このことは、特殊な試薬や複雑な前処理を必要とせずに同様の分子群を構築できることを意味しており、研究の再現性や拡張性を高めるとともに、他の研究分野への展開も容易にします。その結果、本成果は有機合成という基礎研究にとどまらず、幅広い研究者が利用可能な基盤技術としての波及効果を持つと考えられます。

このような知見と合成基盤は、光の性質を精密に制御する必要のあるディスプレイや光通信などの分野において、材料開発の効率化や高性能化につながる成果と位置づけられます。また、「構造を少し変えるだけで性質が大きく変わる」という考え方は、化学分野にとどまらず、ものづくり全般に共通する設計思想としても意義を持ちます。したがって本研究が示したアプローチは、将来的に新しい光技術や情報処理技術を支える材料開発の考え方に影響を与える可能性があり、基礎研究が社会へとつながることが期待されます。

課題、今後の展望

本研究で確⽴した合成⼿法は、さらに環数の多い⾼次ヘリセンや、他のヘテロ原⼦を含むらせん状分⼦にも適⽤可能です。今後、分⼦設計の⾃由度をさらに拡張することで、円偏光発光特性に優れた新規有機材料の創製が期待されます。将来的には、⾼輝度液晶ディスプレイ⽤偏光光源、三次元ディスプレイ、光情報通信、セキュリティ材料など、⾼度な光情報処理技術を⽀える機能性有機材料への応⽤が⾒込まれます。

研究者のコメント

本研究チームでは、10環を超える高次ヘリセンが合成上の大きな壁となってきたことを踏まえ、まずは確実に合成できる基盤を築くことから研究をスタートしました。今回、その合成基盤を確立したことで、分子の長さと光学特性の関係を体系的に調べることが可能となり、新たな知見を得ることができました。本成果は、今後の分子設計や材料開発につながる第一歩であり、広い視野を持って研究を発展させていきたいと考えています。

用語解説

※1 ヘリセン分子
複数の芳香環（ベンゼン環など）が、らせん状に連結した構造をもつ有機分子の総称。分子自体がねじれた形をしているため、鏡像関係にある2種類（右巻き・左巻き）が存在し、不斉（キラリティ）を示す。キラル光学特性、特に円偏光発光材料として注目されている。

※2 円偏光発光異方性因子（g値）
分子が発する光のうち、右回りと左回りの円偏光成分の偏りの大きさを表す指標。値が大きいほど、円偏光としての「偏り」が大きいことを意味する。円偏光発光材料の性能を評価する際に広く用いられる数値である。

※3 蛍光量子収率
分子が光を吸収した後、どれだけ効率よく光として放出するかを示す指標。吸収された光の数に対する、放出された蛍光の割合で表され、値が1に近いほど「よく光る」ことを意味する。

※4 不斉
物体や分子が鏡に映した像と重ね合わせることができない性質のこと。右手と左手の関係が代表例であり、この性質を持つものを「キラル」と呼ぶ。不斉な分子は、光や生体分子との相互作用において特有の性質を示す。

キーワード

ヘリセン分子、円偏光発光（CPL）、キラル分子、分子設計、光機能性材料

論文情報

雑誌名：Angewandte Chemie International Edition
論文名：Tetraaza[7]–[15]helicenes Synthesized by Two-Step Strategy: Length-Controlled Chiral π-Systems Exhibiting Amplified Circularly Polarized Luminescence
執筆者名：Takashi Otani¹,Yuchen Wu², Kohei Ueda¹, Yuki Ikeda¹, Yuna Tada¹, Natsuna Kinoshita¹, and Takanori Shibata^2*
１：阿南⼯業⾼等専⾨学校
２：早稲田大学理工学術院
掲載日時：2026年1月9日
掲載URL：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41509001/
DOI：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41509001/
*：責任著者

研究助成

研究費名：科学研究費 基盤研究（C） 課題番号：22K05087
研究課題名：強い円偏光を発する⾼次ヘリセンの短⼯程合成法の開発
研究代表者名（所属機関名）：⼤⾕ 卓（阿南⼯業⾼等専⾨学校）

研究費名：早稲田大学特定課題研究
研究課題名：：”Synthesis of High-order Polyazahelicenes via Hypervalent Iodine Reagents-Intermediated Consecutive N–H/C–H Coupling”
研究代表者名（所属機関名）：呉 ⾬宸（早稲田大学）

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【Short Ver. 】
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YbN 合金化により AlN 薄膜の熱伝導を大幅抑制
～熱伝導率をガラス極限まで低減～

発表のポイント

• AlN薄膜をYbN と合金化することにより、結晶構造を保持したまま熱伝導率を劇的に低減し、ガラスに近い熱伝導率を実現しました。
• YbとAlのイオン半径およびイオン質量の不整合という化学的要因により、AlN 合金の熱伝導をガラス極限近傍まで低減できることを解明しました。これは、結晶材料におけるフォノンエンジニアリングの新たな化学設計指針を提示します。
• 以上より、ガラス並みの低熱伝導率を持ちながら結晶構造を維持できるAlN膜は、構造変化が起こりにくい断熱材料として、長期安定性が求められる産業用途への応用が期待されます。

熱的な絶縁材料は、温度を安定に保つために重要な役割を果たし、産業設備や電子デバイスなど幅広い分野で利用されています。従来、結晶周期性を持たないガラス材料は、低い熱伝導率を示す断熱材料として知られていますが、長期使用や高温環境では構造安定性に課題がありました。一方、結晶材料は一般的に構造的に安定であるが、ガラス並みに熱を通しにくくすることは困難でした。結晶構造がありながら、超低熱伝導特性を同時に実現できれば、熱遮断結晶層として熱輸送を選択的に制御する新たな材料プラットフォームを提供できます。
早稲田大学理工学術院の賈軍軍（じゃ じゅんじゅん）教授、早稲田大学理工学術院の柳谷隆彦（やなぎたに たかひこ）教授らの研究グループは、広く産業利用されている材料であるアルミニウム窒化物（AlN）をイッテルビウム窒化物 （YbN） と合金化することにより、AlNの結晶構造を保持したまま、その熱伝導率をガラス状態に迫るレベルまで劇的に低減できることを新たに見出しました。このような超低熱伝導特性は、長期にわたり安定した温度環境が求められる多くの産業用途において極めて有用であり、電子デバイスや化学反応炉における断熱材料などへの応用が期待されます。
本研究成果は2026年1月1日に「Acta Materialia」に公開されました。

これまでの研究で分かっていたこと

AlN をベースとする三元系窒化物合金は、高周波（RF）デバイス、パワーエレクトロニクス、ならびに耐摩耗性保護ハードコーティングといった先端技術分野において中核的な材料であり、その性能および信頼性は熱伝導率の大きさやその制御のあり方に強く依存しています。一般に高出力デバイスでは、稼働時の温度上昇を抑制するため、高い熱伝導率を有する散熱材料が求められます。一方で、温度を保持するなど特定の機能を活用する応用においては、熱輸送を抑制する断熱材が必要となります。
しかし、AlN 系合金におけるフォノン輸送機構に関する基礎的理解はいまだ十分とは言えません。これまでの多くの理論研究は半経験的モデルを持っており、高度に不規則化した窒化物合金中における複雑なフォノンダイナミクスを十分に捉えることができていませんでした。その結果、材料設計における予測精度が制限され、物性の協調最適化を伴う効果的な熱マネジメントを実現できていませんでした。

新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

本研究では、機械学習ポテンシャルを用いた平衡分子動力学シミュレーションと、熱輸送モード分解を行うための準調和グリーン–久保（Green–Kubo）法を組み合わせた最先端の理論手法を用い、従来の古典的モデルでは説明できなかった物理機構を解明しました。
その結果、AlN に YbN を合金化した (Yb,Al)N 薄膜では、従来とは異なる“異常な”熱輸送の仕組みが働いていることがわかりました。具体的には、5 THz 以下の低周波数領域において、熱を運ぶ原子振動の伝わり方が通常の合金材料とは異なる挙動を示します。一般に、合金化を行うと、熱の伝わりは弱くなると考えられていますが、(Yb,Al)N では Yb 濃度が増加するほど、熱を運ぶ振動の速さが逆に高まるという、従来の常識に反する振る舞いが観測されました。この反常な振る舞いにより、5 THz 以下の低周波数領域では熱拡散率がほぼ一定に保たれ、古典的な点欠陥散乱モデルを超える、より複雑な格子再構成が存在することが示唆されます。
また、実験の結果、YbN との合金化により、AlN 結晶の熱伝導率は単結晶 AlN の 320 W/(m·K) から 0.98 W/(m·K) 以下へと大幅に低減することが明らかになりました。この値は、結晶性 AlN 系材料として過去最低レベルであり、ガラス材料に近い断熱性能を結晶構造のまま実現した点が大きな特徴です。一方、広く実用化されている (Sc,Al)N 合金では、最も低い場合でも熱伝導率は 3.03 W/(m·K) にとどまります。この大きな差について、YbとAlイオン半径の大きな不整合（ionic mismatch）が熱を遮る性能を最大化する重要な設計要因であると示唆しました。これらの知見は、イオンサイズや質量など化学的な不規則性を有する窒化物合金における熱輸送に対して、新たなパラダイムを確立するものであります。

研究の波及効果や社会的影響

本研究では、AlNに低コストなYbNを合金化することで、結晶構造を維持したまま、ガラスのような超低熱伝導率を実現することに成功しました。この成果は、セラミックス合金材料中の化学的不規則性を精密に設計することで、結晶性セラミックス合金において、従来は困難であった超低熱伝導特性を達成できる可能性を示しています。この新たな化学設計手法は、次世代圧電デバイスにおける高度な熱マネジメントのための重要な材料設計指針を与えることが期待されます。さらに、これらの結晶性窒化物セラミックス合金薄膜は、マグネトロンスパッタリングなどの既存成膜手法により、容易かつスケーラブルに作製可能です。そのため、この新たな化学設計手法および関連製造プロセスは、高エネルギー効率を実現する産業システムの基盤技術として、電子デバイスやエネルギーシステム分野において、広範で深い社会的波及効果をもたらすことが期待されます。

課題、今後の展望

本研究では、広く産業利用されている材料であるアルミニウム窒化物（AlN）を YbN と合金化することで、AlNの結晶構造を保持したまま、その熱伝導率をガラス状態に迫るレベルまで劇的に低減できることが成功しました。一方、本研究は主に基礎的な物性解明に焦点を当てたものであり、実用化に向けてはいくつかの課題が残されています。例えば、Ybを含む材料系におけるコストや資源制約、ならびに既存デバイスプロセスとの整合性について、今後さらに検討が必要です。今後、今回得られた知見を基に、AlN に限らず他の窒化物材料や関連セラミックス材料への展開も視野に入れつつ、合金組成やプロセス条件の最適化を進めることで、人工的なフォノンガラス材料群の創出及び断熱結晶材料設計・開発に関する新たな指針を確立し、将来的な社会実装への展開を目指します。

研究者のコメント

熱を通しにくい材料は、エネルギーの無駄を減らすためにとても重要です。今回、材料の結晶構造を保ったまま、ガラスのように熱を通しにくい材料を実現できました。身近な電子機器から将来の省エネルギー技術まで、幅広い分野で役立つ材料につながると考えています。

用語解説

※1　窒化物合金
窒素を共通アニオンとし、複数の金属元素が同一結晶格子の陽イオンサイトを占有する固溶体材料であり、結晶構造を維持したまま多様な物性制御を可能とする材料群である。

※2　フォノンエンジニアリング
物質の結晶構造、化学的不規則性、欠陥、界面設計などを通じてフォノンの分散、散乱、輸送機構を制御し、所望の熱物性を実現する手法である。

論文情報

雑誌名：Acta Materialia
論文名：Tailoring thermal transport in (Sc,Yb)AlN thin films to the glassy limit
執筆者名（所属機関名）：Ziyan Qian^a、Guangwu Zhang^a、Zhanyu Lai^b、Ayaka Hanai^b、Yixin Xu^a、Guang Wang^a、Yang Lu^a、Jiaqi Gu^a、Yanguang Zhou^a、Takahiko Yanagitani^b、Junjun Jia^b,c
a：香港科技大学
b：早稲田大学 理工学術院 先進理工学研究科
c：早稲田大学 理工学術院 国際理工センター
掲載日時：2026年1月1日
掲載URL：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121767
DOI：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121767

研究助成

研究費名：科学研究費 基盤研究（B）
課題番号：25K01296
研究課題名：高次モードScAlNエピブラッグ反射器を用いたマイクロセンサ
研究代表者名（所属機関名）：柳谷 隆彦（早稲田大学）

体温で自動的に展開する血管ステントを開発

発表のポイント

• 本ステントは、冷却した状態では細く折り畳まれた形状を維持し、体内の所定位置まで安全に搬送できます。目的部位に到達した後、体温（約37℃）によりあらかじめ記憶させた拡張形状へ変形するため、外部からの加熱操作は不要です。
• 4Dプリント技術により、患者ごとの血管形状に合わせた設計が可能です。複雑な血管にもなじみやすく、ずれや過度な圧迫を抑えることが期待されます。
• 動物実験により、体内環境下での安全性およびステントとしての機能発現を確認しました。これにより、血管内治療への医療応用に向けた非臨床段階をクリアしています。
• 本技術は、ステント留置手技の簡略化を可能にし、治療時間の短縮や手技に伴うリスク低減を通じて、低侵襲な血管治療に貢献します。その結果、医師および患者双方の負担軽減が期待され、次世代の血管治療や個別化医療への展開が見込まれます。

血管が狭くなる病気の治療では、体内で広がる「血管ステント^※1」が使われていますが、従来は高温での加熱や複雑な操作が必要で、患者や医師の負担が課題でした。

早稲田大学理工学術院の梅津 信二郎（うめず しんじろう）教授、東京大学医学部附属病院の廣瀬 佳代（ひろせ かよ）医師らの研究グループは体温と同じ37℃で自動的に広がる血管ステントを新たに開発しました。4Dプリント^※2技術を用いることで、体内に入ると自然に元の形に戻り、外部から加熱する装置を必要としません。血管の形に合わせた設計も可能で、低侵襲で安全性の高い治療につながります。動物実験でも体内での機能と安全性を確認しており、次世代の個別化医療への応用が期待されます。

本研究成果は、2026年1月15日（木）に『Advanced Functional Materials』に掲載されました。

これまでの研究で分かっていたこと（科学史的・歴史的な背景など）

血管が狭くなる病気の治療では、世界中で血管ステントが広く使われてきました。金属製や高分子製のステントは、血管を内側から広げ、血流を回復させる役割を果たします。従来のステントは、バルーンで広げたり、高温で形を戻したりする必要があり、患者への負担が課題でした。また、高温を使う方法では、周囲の組織を傷つけるおそれがあり、医師の操作も複雑になります。

近年、形を記憶する材料や3D・4Dプリント技術が登場し、体内で形が変わる医療機器の研究が進んできました。しかし、体温と同じ温度で安全に作動し、実際に体内で使えることを示した例は限られていました。

今回の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

血管が狭くなる病気の治療では、血管内にステントを入れて血流を回復させますが、従来はバルーンで広げたり、高温で形を戻したりする操作が必要でした。このため、患者や医師にとって身体的・技術的な負担が課題となっていました。

本研究では、体温と同じ37℃で自動的に広がる血管ステントの実現を目指しました。研究グループは、体内環境そのものを利用して作動する仕組みに着目し、4Dプリント技術を用いて、時間とともに形が変化する血管ステントを開発しました。

図1（e）に、本研究で開発した血管ステントの作動イメージを示します。カテーテル内では細く折りたたまれた状態で血管内に挿入され、体内に到達すると、体温（37℃）によって自然に元の形に戻り、血管を内側から支えます。この仕組みにより、外部から加熱する装置を用いる必要がなくなります。

本研究の重要な点は、作動温度が体温付近になるよう精密に調整した材料設計です。材料の組成を工夫することで、高温を使わず、安全な温度条件下で確実に形が回復することを可能にしました。図1（f）は、37℃の環境下で、時間の経過とともにステントが元の形に戻っていく様子を示したものです。短時間で確実に展開することが分かります。

さらに、4Dプリント技術を用いることで、血管の太さや形状に応じた設計が可能となりました。複雑な血管にもなじみやすく、過度な圧迫や位置ずれを抑えることが期待されます。実験では、体温条件下での確実な自動展開を確認しました。また、動物を用いた試験においても、体内で安定して機能し、安全性に問題がないことを示しました。

これらの結果から、本研究で開発した血管ステントは、低侵襲で安全性の高い新しい血管治療につながる可能性を示しています。

研究の波及効果や社会的影響

本研究で開発した体温作動^※3型の血管ステントは、治療手技の簡略化につながる可能性があります。外部から加熱する装置を必要としないため、医師の操作負担を軽減し、治療時間の短縮や医療現場の安全性向上に寄与すると考えられます。

患者にとっては、低侵襲医療^※4の考え方に沿った治療が期待されます。過度な拡張操作を避けられることで、術後の痛みや合併症のリスクを抑えることにつながる可能性があります。

また、4Dプリント技術を用いることで、血管の太さや形状に合わせた設計が可能となり、個別化医療の実現に向けた基盤技術となります。これは、高齢化が進む社会において、多様な患者に対応できる医療技術として重要な意味を持ちます。

学術的には、体温という穏やかな条件で作動する材料設計と4Dプリント技術の組み合わせは、血管ステントにとどまらず、他の医療用デバイスへの応用も期待されます。体内環境を利用して機能する医療機器の研究を進めるうえで、新たな方向性を示す成果といえます。

課題、今後の展望

本研究では、体温で自動的に広がる血管ステントの基盤技術を示しましたが、臨床応用に向けてはさらなる検討が必要です。現段階では、動物を用いた試験による安全性評価にとどまっており、長期間体内に留置した場合の挙動や、実際の血管環境における影響については、今後詳細な検証が求められます。

また、血管の部位や病状によって求められるステントの特性は異なるため、さまざまな条件に対応できる設計の最適化が課題となります。耐久性や分解の進み方などについても、用途に応じた調整が必要です。

今後は、より実際の治療環境に近い条件での評価を進めるとともに、医療現場のニーズを取り入れた改良を重ねていく予定です。これにより、安全性と有効性の両立を目指します。

将来的には、本研究で確立した体温作動型の設計思想と4Dプリント技術が、血管ステントに限らず、他の医療用デバイスにも応用されることが期待されます。体内環境を活用して機能する医療機器の開発が進むことで、より患者に優しい治療の選択肢が広がる可能性があります。

研究者のコメント

血管治療を、より安全で患者さんに優しいものにしたいという思いから研究を進めてきました。体温だけで自然に広がるステントは、治療の負担を減らし、医療現場の選択肢を広げる可能性があります。今後も実用化を見据え、現場に役立つ医療技術の開発を進めていきたいと考えています。

用語解説

※1　血管ステント：
血管が狭くなった部分に入れ、内側から広げて血流を保つための医療用器具。心臓や脳などの血管治療で広く使われている。

※2　4Dプリント：
3Dプリントに「時間による形の変化」という要素を加えた技術。環境の変化に応じて、作製した物体が自ら形を変えることができる。

※3　体温作動（37℃）：
人の体温と同じ温度条件で作動すること。本研究では、外部から加熱することなく、体内環境だけでステントが広がる仕組みを指す。

※4　低侵襲医療：
手術や治療による体への負担をできるだけ小さくする医療の考え方。痛みや回復期間の軽減が期待される。

論文情報

雑誌名：Advanced Functional Materials
論文名：Adaptive 4D-Printed Vascular Stents with Low-Temperature-Activated and Intelligent Deployment
執筆者名（所属機関名）：Yannan Li（早稲田大学）、Yifan Pan（早稲田大学）、Chikahiro Imashiro（東京大学）、Chaolun Xu（早稲田大学）、Jianxian He（早稲田大学）、Jingao Xu（早稲田大学）、Kewei Song（早稲田大学）、Ze Zhang（早稲田大学）、Chen Gao（東南大学）、Junbo Jiang（華南理工大学・広州第一人民医院）、Runhuai Yang（安徽医科大学）、Kayo Hirose（東京大学医学部附属病院）*、Shinjiro Umezu（早稲田大学）*　*責任著者
掲載日時：2026年1月15日（木）
DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202521468
掲載URL：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202521468

研究助成

研究費名：科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽)（JP24K21600）
研究課題名：リアルタイム汗測定を行うための生物模倣したマイクロ流路の開発
研究代表者名（所属機関名）：梅津 信二郎（早稲田大学）

研究費名：科学研究費助成事業 基盤研究(B)（JP23K26069）
研究課題名：汗生理学構築のためのリアルタイムモニタリングシステム
研究代表者名（所属機関名）：廣瀬 佳代（東京大学）

研究費名：科学研究費助成事業 基盤研究(B)（JP23K26077）
研究課題名：成熟化した人工心筋細胞組織を対象としたスマート薬効評価システム
研究代表者名（所属機関名）：梅津 信二郎（早稲田大学）

初期宇宙で最速級に成長する超巨大ブラックホールを発見

約 120 億年前の初期宇宙で、想像を超える速さで成長する超巨大ブラックホール（クエーサー）が見つかりました。早稲田大学や東北大学の研究者を中心とする研究チームは、すばる望遠鏡による観測から、非常に多くのガスを飲み込みながら成長しているにもかかわらず、Ｘ線でも電波でも明るく輝く特異なクエーサーを発見しました。これまで同時には起こらないと考えられてきた現象が重なって確認されたことで、超巨大ブラックホールの成長のしくみに新たな視点をもたらす成果です。

多くの銀河の中心には、太陽の数百万倍から数百億倍もの質量を持つ超巨大ブラックホールが存在します。ブラックホールは周囲の物質を引き寄せて成長し、その過程で強い光を放ちます（図１）。ブラックホールの周りには、ガスが円盤状に回り込む構造（降着円盤）や、より内側の高温ガス領域、さらに一部の物質が高速で噴き出す「ジェット」が形成されます。そのため、可視光や紫外線、Ｘ線、電波など、さまざまな種類の光で観測されます。特に明るいものは「クエーサー」と呼ばれますが、こうした天体がどのように成長し、その母銀河の成長とどのように関連しているのかは、いまだ大きな謎です。

この謎を解く重要な手がかりの１つが「超エディントン降着」と呼ばれる状態です。ブラックホールが物質を取り込む速さ（質量降着率）には理論的な上限がありますが、いくつかの天体ではこの上限を超えた「超エディントン降着」が観測されています。これは、ブラックホールが短時間で急激に大きくなる可能性を示すもので、初期宇宙にすでに巨大なブラックホールが存在していた理由を説明する有力な手段とされています。

早稲田大学の 先進理工学研究科　修士課程の小渕紗希子（所属研究室：理工学術院 教授 井上昭雄研究室）、東北大学の市川幸平准教授を中心とする研究チームは、すばる望遠鏡の多天体近赤外撮像分光装置 MOIRCS（モアックス）を用いた分光観測により、初期宇宙にあるクエーサー周辺のガスの運動を調べ、超巨大ブラックホールの質量を高い精度で測定しました。その結果、「超エディントン降着」段階にあるクエーサーを約 120 億年前の宇宙で発見しました。Ｘ線での明るさから見積もると、このクエーサーの質量降着率は理論的な上限値の約 13 倍になります。この換算が正しければ、これまでに観測された同程度の質量を持つ超巨大ブラックホールの中では最も急速に成長している天体が発見されたことになります（図２）。

特筆すべきは、このクエーサーがＸ線でも電波でも明るく輝いていることです。これまで、「超エディントン降着」の段階では、高温ガス領域が効率的に冷やされためＸ線が弱くなり、電波で観測されるジェットも目立たなくなると考えられていました。しかし本研究によって、超エディントン降着にありながら、Ｘ線と電波の双方で明るいクエーサーが初めて発見されました。従来は想定されていなかった特異なメカニズムが、このクエーサーに隠されている可能性があります。

研究チームは、極めて明るいＸ線が観測された理由として、超巨大ブラックホールの成長の勢いが変化している可能性を提唱しています。星やガスの塊との衝突などによって一時的に大量のガスが流入すると、ブラックホールは急激に成長して「超エディントン降着」に入り、その後、元の状態へ戻っていきます。その過程で超エディントン降着と明るいＸ線放射が同時に現れる可能性が考えられます。今回の天体でも同様の現象が起きているならば、初期宇宙で超巨大ブラックホールの成長が変動を伴いながら進行する過程を初めて捉えたことになります。

また、電波の明るさは、このクエーサーが、母銀河での星生成を抑制しうるほどの極めて激しいジェットを放出していることを示しています。「超エディントン降着」とジェット放射の関係は未解明ですが、今回の発見は、初期宇宙において母銀河と中心の超巨大ブラックホールがどのように影響し合いながら成長するのかを理解する上で、重要な手がかりになるでしょう。

論文の主著者の小渕さんは、「今回の発見は、これまで困難とされていた初期宇宙における超巨大ブラックホールの形成過程を解明することに繋がるかもしれません。今後、このクエーサーにおけるＸ線や電波の放射機構を探るとともに、まだ見つかっていない類似天体が存在しているのかどうかについても明らかにしていきたいです」と展望を語っています。

本研究成果は、米国の天体物理学専門誌『アストロフィジカル・ジャーナル』に 2026年1月21日付で掲載されました（Obuchi et al. “Discovery of an X-ray Luminous Radio-Loud Quasar at z = 3.4: A Possible Transitional Super-Eddington Phase“）。

すばる望遠鏡は自然科学研究機構国立天文台が運用する大型光学赤外線望遠鏡で、文部科学省・大規模学術フロンティア促進事業の支援を受けています。すばる望遠鏡が設置されているマウナケアは、貴重な自然環境であるとともにハワイの文化・歴史において大切な場所であり、私たちはマウナケアから宇宙を探究する機会を得られていることに深く感謝します。

研究助成

本研究成果は、科学研究費補助金（課題番号：25K01043、23K13154、22H00157）、JST 創発的研究支援事業（JPMJFR2466）、稲盛財団研究助成によるサポートを受けています。

論文情報

雑誌名：THE ASTROPHYSICAL JOURNAL
論文名：Discovery of an X-Ray Luminous Radio-loud Quasar at z = 3.4: A Possible Transitional Super-Eddington Phase
掲載日時：2026年1月21日
DOI：https://doi.org/10.3847/1538-4357/ae1d6d

AIでRNAアプタマー創薬を効率化する技術「RaptScore」を開発
～任意のRNAアプタマーの結合活性を評価する技術で創薬を加速～

発表のポイント

•  RNAアプタマー^※1の結合活性（作用ターゲットへのくっつきやすさ）を、コンピューター上で大規模言語モデル（LLM）^※2により高精度に評価する技術「RaptScore（ラプトスコア）」を開発しました。
• 実験データに含まれない未知の配列や、長さの異なる配列の評価が困難であった従来手法の課題をLLMの活用により克服し、配列を短くしたRNAアプタマーの探索・設計も可能になりました。
• 本手法により、RNAアプタマー医薬品の開発コスト削減や期間短縮、品質向上が期待されます。

次世代の医薬品として期待されるRNAアプタマーは、タンパク質などの標的に結合する能力を持ちますが、膨大な候補の中から有望なアプタマーを探し出し、さらに医薬品として製造コストも考慮した最適なRNAアプタマーの長さに短く加工する作業は、多大な労力とコストを要する実験に依存していました。
早稲田大学大学院先進理工学研究科博士後期課程の木村(山﨑)晃（きむら　やまざき　あきら）、浜田道昭(はまだ　みちあき)教授および株式会社リボミック（所在：東京都港区、代表取締役社長：中村義一）らの研究グループは、文章生成などに使われる大規模言語モデル（LLM）の技術を応用し、少数の実験データから任意のRNAアプタマーの結合活性を評価できる技術RaptScoreを開発しました。
これにより、従来法では困難だった配列の短縮化や未知の候補配列の評価が容易になり、創薬研究の効率化が期待されます。
本研究成果は、国際学術誌「Nucleic Acids Research」に2026年1月14日に公開されました。
論文名：RaptScore: a large language model-based algorithm for versatile aptamer evaluation

これまでの研究で分かっていたこと

RNAアプタマーは、タンパク質などに結合する核酸分子で、医薬品やバイオセンサーとしての応用が進んでいます。通常、アプタマーは「SELEX法」^※3と呼ばれる実験で、配列プールから標的物質に結合するものを選抜して取得します。しかし、SELEX法の実験を行っても、本当に医薬品として有望な配列を見つけ出すことには困難が伴います。
具体的には、実験データ中に何回出現したかの頻度などを指標として評価していましたが、これには「実験データに含まれていない新規配列は評価できない」「配列の長さを変えると評価できなくなる」という課題がありました。特に、医薬品化にあたっては製造コストを下げるために配列を短くする「短鎖化」^※4が重要ですが、短くした配列が良いかどうかは、再度実験をして確かめる他なく、開発にあたってのボトルネックとなっていました。

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

本研究グループは、実験データに含まれていない配列や、長さが異なる配列も評価できる指標であるRaptScoreを開発しました。DNAの塩基配列を学習できる大規模言語モデルDNABERTをベースに、アプタマー選抜実験（SELEX法）のデータで調整したAIモデルを活用し、対象のアプタマー配列が「どれくらい自然か（結合能を示す可能性が高い配列パターン）」をスコア化する技術です。
本研究の主な成果は以下の通りです。

• 高精度な活性予測を実現
  実験による結合活性測定（SPR法）の結果と、AIが算出したRaptScoreを比較したところ、高い相関が見られました。これにより、少数の実験データを元に任意の配列の結合力を推定できることが示されました。
• 「短鎖化」への応用実証
  実験的な検証を介さずとも、RaptScoreが高い値を示すように配列を削ることで、結合活性を維持、あるいは向上させながら、配列長を短くできることを実証しました。元の配列から長さを最大3割ほど削りつつも結合力を維持することに成功しました。
• 生成AIとの連携による効率化
  同研究チームが開発したRNAアプタマー生成AI「RaptGen」と組み合わせることで、AIが生成した候補配列の中から、実際に実験すべき有望な候補を高確率で選抜できることを確認しました。

研究の波及効果や社会的影響

本成果は、RNAアプタマー創薬に複数の側面から寄与しうるAI技術です。 第一に、製造コストの削減です。化学合成で製造される核酸医薬品は、配列が短くなるほど製造コストが下がり、品質管理も容易になります。RaptScoreを用いれば、コンピューター上で効率的な短鎖化が可能になります。 第二に、開発スピードの向上です。実験をする前にAIで有望な候補を絞り込めるため、実験回数を減らし、効率的に強力なアプタマーを発見できます。 これらにより、がんやウイルス感染症などに対する新しい治療薬や診断薬が、より早く、より安価に社会に届くことが期待されます。

課題、今後の展望

現在のRaptScoreの課題の一つは塩基配列の並びのみを学習しており、RNAが形作る3次元の立体構造の情報は直接的には考慮していないことです。今後は、立体構造の情報も統合することで、予測精度をさらに高めることを目指します。

研究者のコメント

本研究は、熟練研究者が培ってきたアプタマーに関する経験や洞察を補完し、アプタマーの目利きやデザインをデータとAIにより効率化・高度化することを目指すものです。これまで開発してきた生成AI・RaptGenなどとあわせて、次世代の新薬として期待されるアプタマー創薬をさらに加速させる技術となることを期待しています。

用語解説

※1 RNAアプタマー
ターゲット分子（タンパク質など）に強く結合する能力を持つ、短いRNA分子。抗体医薬品に代わる次世代の中分子医薬品として注目されています。

※2 大規模言語モデル（LLM）
大量のテキストデータを学習し、文章の生成や評価を行うAIモデル。本研究では、DNA/RNAの塩基配列（A, G, C, T/U）を言語と見立てて学習させたモデル（DNABERT）を応用しました。

※3 SELEX（セレックス）法
Systematic Evolution of Ligands by Exponential enrichmentの略。膨大な種類のRNAライブラリから、標的物質に結合するものだけを選び出し、増幅させる工程を繰り返すことで、結合力の強いアプタマーを取得する実験手法。

※4 短鎖化
アプタマー医薬品の実用化において、活性に不要な部分を削ぎ落とし、配列を短くする工程。製造コスト削減や副作用低減のために重要ですが、多くの実験的な試行錯誤が必要です。

キーワード

RNAアプタマー、創薬、大規模言語モデル、LLM、AI、RaptScore

論文情報

雑誌名：Nucleic Acids Research
論文名：RaptScore: a large language model-based algorithm for versatile aptamer evaluation執筆者名（所属機関名）：木村(山﨑)晃 (早稲田大学), 安達健朗, 中村重孝, 中村義一 (株式会社リボミック), 浜田道昭*（早稲田大学）
*：責任著者
掲載日時：2026年1月14日
掲載URL：https://academic.oup.com/nar/article/54/2/gkaf1480/8425320?guestAccessKey=7b0bb9bc-05b7-44a1-bc03-b25c04e9280c&utm_source=authortollfreelink&utm_campaign=nar&utm_medium=email
DOI：https://doi.org/10.1093/nar/gkaf1480

研究助成

研究費名：JST戦略的創造研究推進事業 CREST「イノベーション創発に資する人工知能基盤技術の創出と統合化」
研究課題名：人工知能技術を用いた革新的アプタマー創薬システムの開発
研究代表者名（所属機関名）：浜田道昭（早稲田大学）

研究費名：JST 戦略的創造研究推進事業CREST「イノベーション創発に資する人工知能基盤技術の創出と統合化」（栄藤稔総括）
研究課題名：AIアプタマー創薬プロジェクト
研究代表者名（所属機関名）：浜田 道昭（早稲田大学）

研究費名： 科学研究費助成事業 学術変革領域研究(A)(25H01310)
研究課題名：生物の免疫反応を手がかりとした撹乱RNAの網羅的探索と特徴付け
研究代表者名（所属機関名）：川崎 純菜（千葉大学）

研究費名：科学研究費助成事業 基盤研究(S)(25H00427)
研究課題名：新規翻訳誘導技術を用いた環状RNAの分子設計と応用
研究代表者名（所属機関名）：阿部 洋（名古屋大学）

研究費名：科学研究費助成事業 挑戦的研究(開拓)(24K21326)
研究課題名：RNAリインカネーション
研究代表者名（所属機関名）：浜田 道昭（早稲田大学）

研究費名： 科学研究費助成事業 基盤研究(A)(23H00509)
研究課題名：RNAを中心とした分子ネットワークに基づく生物学的相分離の俯瞰的・体系的理解
研究代表者名（所属機関名）：浜田 道昭（早稲田大学）

研究費名： 科学研究費助成事業 学術変革領域研究(学術研究支援基盤形成)(22H04925)
研究課題名：先進ゲノム研究解析推進プラットフォーム
研究代表者名（所属機関名）：黒川 顕 国立遺伝学研究所）

研究費名： NEDO 量子・古典ハイブリッド技術のサイバー・フィジカル開発事業
研究課題名： 量子・A I次世代創薬
研究代表者名（所属機関名）：浜田 道昭（早稲田大学）

光で操る「ナノ温度スイッチ」を実現
～光の右回り・左回りで熱分布を書き換える～

研究成果のポイント

• 一般的に、金属の微細構造に光を照射すると、その表面は均等に熱くなる（等温）
• 本研究では、「窒化チタン」のナノ構造に、右回りまたは左回りの円偏光を照射すると、ナノ構造表面に「全く異なる温度パターン」が現れることを実証した
• ナノメートル領域の熱を、「光の色」や「偏光」で操る新しい手法として、化学反応の局所的な制御や、微小な液体の流れ・物質輸送を操る新しい技術へと応用することが期待される

ナノメートルサイズの金属構造が光によって加熱される現象は、化学反応の局所制御や医療応用、エネルギー変換など、幅広い分野で注目されています。これまで、金属のナノ構造は、光を当てると表面全体が等温になると考えられてきました。
しかし今回、兵庫県立大学大学院工学研究科の瀬戸浦健仁准教授、東北大学多元物質科学研究所の押切友也准教授、関西学院大学理学部の田村守専任講師、早稲田大学先進理工学研究科の森田賢さん（博士後期課程）および同大学理工学術院の井村考平教授、北海学園大学工学部の藤原英樹教授、国立研究開発法人物質・材料研究機構の石井智チームリーダー、北海道大学大学院総合化学院の藤井優祐さん（博士前期課程）および同大学電子科学研究所の松尾保孝教授、そして大阪公立大学大学院理学研究科/LAC-SYS研究所の飯田琢也教授/所長のグループが実施した共同研究では、「窒化チタン」という材料でナノ構造を作ることで、光の「右回り・左回り」という偏光回転の違いだけで、ナノ構造表面に全く異なる温度パターンが現れることを明らかにしました。
このような温度パターンの切り替えは、ナノスケールでの加熱位置や加熱強度を光だけで制御できることを意味します。これは、化学反応の局所的な制御や、微小な液体の流れ・物質輸送を操る新しい技術につながると期待されます。
本研究成果は、アメリカ化学会の学術誌「Nano Letters」に2025年12月22日付で掲載されました。

研究の背景

金属をナノメートルサイズの微粒子にして光を照射すると、ナノ粒子が光を強く吸収して発熱する「プラズモン加熱」という現象が起こります。多くの金属の中でも、金のナノ粒子は、光から熱への高いエネルギー変換効率を示すことが知られています。図1に、プラスチックボトルに入った金ナノ粒子のコロイド水溶液を示します。金の色は、本来は文字通り「黄金色」ですが、ナノ粒子になると、電子が集団でいっせいに振動する「局在プラズモン」が強く光を吸収するため、図のように鮮やかな赤色を呈します（この溶液中には、数百億個のナノ粒子が分散しています）。これまで金ナノ粒子のプラズモン加熱は、がん細胞の光温熱治療や熱化学反応の局所パターニング、そして局所的な液体の流れ制御への応用が進められてきました。
プラズモン加熱の研究において、ひとつの常識となっていたのが、「光で加熱されているナノ粒子の表面は、完全に等温になる」というものでした。そもそも金は、多くの金属の中でも特に熱の伝導性が良いので、非常に小さなナノ粒子の表面では「温度差が生じるはずがない」とされてきました。

研究成果の内容

本研究グループでは、「ナノ粒子の表面の狙った箇所だけを、光によって選択的に加熱する」ことができれば、新たなブレイクスルーになると考えてきました。

これを実現する鍵として見出したのが、「窒化チタン」という材料です。この材料は、図2に示すように、金と良く似た黄金色の金属光沢を示すため、ナノ粒子にすればプラズモン加熱に利用可能です。そして最も重要な点は、この窒化チタンの熱の伝導性が、金の1/10以下であることです。熱の伝導性が低い材料でできたナノ構造に光を照射すると、「局在プラズモン」という電子の波の振動パターンが、ナノ構造の表面温度分布にくっきりと転写されるはずであると予測しました。
このアイデアを実証するために、図3の左側に示すように、窒化チタンを材料とする全長 800 nmのS字ナノ構造を、数値シミュレーションによって設計しました（人間の髪の毛の直径が80 μmなので、S字ナノ構造の全長はその1/100です）。このS字ナノ構造にレーザー照射する際に、光の波長や強度は固定したままで、円偏光の回転方向だけを「右回り・左回り」で変えると、図３中央のカラーマップで示されているように、ナノ構造の表面に、「全く異なる温度パターン」が現れることが、シミュレーションで示唆されました。
このシミュレーションを検証するために、半導体の微細加工に用いられる電子線リソグラフィなどの技術によってS字ナノ構造を実際に作製し、レーザー照射による実証実験を行いました。実験では、熱反応によって生成物が形成する「酸化亜鉛の水熱合成」を、このS字ナノ構造へのレーザー照射によって誘起したところ、図3の右側の電子顕微鏡画像に示す通り、シミュレーションと一致する結果が得られました。つまり、窒化チタンという材料を用いることで、光によって「ナノ構造の狙った場所だけを加熱する」ことが可能であることが実証されました。

今後の期待

これまでのプラズモン加熱の常識を打ち破って、「光の色や偏光を変えるだけ」で、ナノメートルという微小領域の温度パターンを自在に造形できることが示されました。この成果は、化学反応の局所的な制御や、微小な液体の流れ・物質輸送を操る新しい技術につながると期待されます。

論文情報

タイトル：Chiral Plasmonic Surface Temperature Switching by Several Tens of Kelvins in Titanium Nitride Nanostructures
著者：Kenji Setoura, Tomoya Oshikiri, Mamoru Tamura, Ken Morita, Hideki Fujiwara, Satoshi Ishii, Yusuke Fujii, Yasutaka Matsuo, Takuya Iida, and Kohei Imura
掲載誌：Nano Letters
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c05212 (2025年12月22日公開)

謝辞

本研究は、日本学術振興会（JSPS）科学研究費（JP23K04561, JP25H01633, JP22H05131, JP23H01916, JP25K22238, JP25H00828, JP24K08282, JP25H01627, JP23K26518, JP24K21723, JP25H00421, JP23H01927, JP25H01637）、マテリアル先端リサーチインフラ事業（JPMXP1224HK0169）および国立研究開発法人科学技術振興機構（JST, JPMJFR2139, JPMJMI21G1）の支援を受けて実施しました。

演題：Transition Metal Dichalcogenides Modified Carbon Nanotubes and Hollow Carbon Spheres for Green Energy Conversion

日時：2026年3月2日(月) 13:00-14:40

会場：早稲田大学　西早稲田キャンパス５５号館Ｎ棟１Ｆ第二会議室

講師：ZHANG, Xiao 　(東北大学 材料科学高等研究所 准教授/ジュニア主任研究者）

対象：学部生、大学院生、教職員、学外者、一般

参加方法：希望者は直接会場へお越しください

主催：先進理工学部 応用化学科

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

TEL：03-5286-3000

リンク先URL： https://noda.w.waseda.jp/seminar-j.html

演題：Irrational Angular Momentum in Compact Universes

日時：2026年2月12日(木) 15:00-16:40

会場：早稲田大学　西早稲田キャンパス55号館N棟2階　物理応物会議室

講師：Paolo FACCHI 　(University of Bari Italy 教授）

対象：学部生、大学院生、教職員、一般

参加方法：希望者は直接会場へお越しください

主催：先進理工学部 応用物理学科

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

TEL：03-5286-3000

海底熱水噴出孔における「深海発電現象」を解明
―チムニーの発達が熱から電気への変換を促進―

発表のポイント

• 深海の熱水噴出孔に形成される硫化物チムニー^（注1）が、熱を電気に変える自然の発電装置として働くことを発見しました。
• チムニーは形成初期には電気を通しませんが、成長すると電気を通すようになり、チムニー内外の温度差によって、電子が海水側へ自然に移動します。
• チムニー発達に伴う構成鉱物の割合や温度構造の変化によって、深海底に電気エネルギーが供給される仕組みが自発的に生まれます。

概要

深海底の熱水噴出孔では300˚Cを超える熱水が冷たい海水に噴き出し、硫化鉱物や硫酸塩鉱物からなる「チムニー」と呼ばれる柱状の構造が作られています（図1）。これまで、熱水と海水の化学的な違いによって電気が生まれる可能性は指摘されてきましたが、熱水の温度の役割はわかっていませんでした。

東北大学大学院環境科学研究科の岡本敦教授、早稲田大学理工学術院の野崎達生教授らの研究グループは、伊豆・小笠原海域の深海底から採取したチムニー試料について、内部の構造や電気的な性質を詳しく調べました（図2）。その結果、チムニー形成初期には電気を通しませんが、チムニーが成長して成熟するにつれて、鉄や銅、鉛などを含む電気を通しやすい硫化鉱物が、熱水の通り道に沿って膜のように作られることがわかりました。さらに、これらの硫化鉱物は熱を電気に変える性質を持ち、チムニー壁内外の温度差によって、電子が熱水側から海水側へ流れることがわかりました。このことは、チムニーが成長していくある段階で、深海底で自然に発電する仕組みが作られることを示しています（図3）。今後、深海底の生物を支えるエネルギー供給の理解や、噴き出す熱水の熱を利用した発電技術の研究につながると期待されます。

本成果は2026年1月8日、米国地質学会が発行する学術誌Geologyに掲載されました。

研究の背景

日本近海を含む世界の深海底には、300℃を超える熱水が噴き出す場所が数多く存在しています。これらの熱水噴出孔では、電子を放しやすい高温で還元的な熱水が、電子を受け取りやすい冷たく酸化的な海水と接することで、硫化鉱物や硫酸塩鉱物の微粒子が沈殿し、チムニーと呼ばれる煙突状の構造が形成されます。近年、熱水と海水の化学的な性質（酸化還元状態）^（注2）の違いによって、チムニー壁を通じて熱水から海水に電子が移動する、つまり自然に発電が起こる可能性が指摘されています。

一方、チムニーを構成する硫化鉱物は半導体^（注3）であり、半導体の特徴として、熱を電気に変える熱電変換^（注4）性能を持っています。これまで熱電材料にはビスマスやテルルなどの希少元素が使われてきましたが、近年は銅を含む天然硫化物が、環境に優しい持続可能な材料として注目されています。深海底のチムニーには、主に銅、鉄、鉛、亜鉛などで構成されるさまざまな硫化鉱物が含まれています。しかし、成長段階や生成環境によってその種類や構造・組織が変化するため、この熱電変換が深海の発電現象にどのように関わるのかは、これまで詳しく調べられていませんでした。

今回の取り組み

本研究では、伊豆・小笠原海域の水深約700-1300メートルにある熱水噴出孔（明神礁カルデラ、明神海丘）から、硫化鉱物や硫酸塩鉱物でできたチムニー試料を採取し、鉱物の構造や電気特性を詳しく調べました（図1A）。海底では、チムニーから活発に熱水が噴き出しており、表面にはカニやゴカイなどが生息しています。今回の測定では、熱水の温度は最大で238℃に達していました（図1B）。一方、熱水活動を終えたデッドチムニーは黒っぽい表面で生物は見られず、内部にはオレンジ色を呈する部分が確認できました。断面を観察すると、チムニーはさまざまな硫化鉱物や硫酸塩鉱物でできていることが分かりました。形成初期の若いチムニーは、バリウム硫酸塩鉱物（重晶石、BaSO₄）の平板状結晶が主体で、多くの空隙を持ち、微小な亜鉛の硫化鉱物（閃亜鉛鉱、ZnS）が点在していました（図1C）。形成中期のチムニーは、主に閃亜鉛鉱で構成され、空隙が少なく緻密な構造になります（図1D）。より成熟したチムニーでは、基質部分は閃亜鉛鉱が主体ですが、直径数ミリ～センチメートル規模の熱水流路（空隙）の周りには、銅・鉄・鉛からなる硫化鉱物（黄銅鉱CuFeS₂や方鉛鉱PbS）の薄くて緻密な層が形成されていました（図1E, F）。この構造から、チムニーは成長の段階に応じて、まず重晶石などの硫酸塩鉱物が析出し、次に亜鉛の硫化鉱物が沈殿し、さらに内部温度が高くなると銅・鉄・鉛の硫化物が生成していることが示唆されます。

チムニーは、細かな鉱物粒子が混ざった複雑な構造を持っているため、まず、チムニーを構成する代表的な硫化鉱物の鉱物標本について、電気伝導度とゼーベック係数（温度差による熱起電力を示す値）^（注5）を測定しました（図2A）。その結果、閃亜鉛鉱は電気をほとんど通さないのに対し、黄鉄鉱、黄銅鉱、方鉛鉱は電気伝導度が高く、電子をキャリアとするn型半導体であることが分かりました。同様にチムニー試料を測定すると、重晶石や閃亜鉛鉱が主体の若いチムニーは電気を通さず、成熟したチムニーの熱水流路周りに生成した黄銅鉱や方鉛鉱の層では、電気伝導度が高く、n型半導体であることが確認されました（図2B）。ゼーベック係数はおよそ-40 µV/Kから-600 µV/Kの値を示し、この領域では、熱電変換の性能を示すパワーファクター^（注6）が5桁以上も高いことが分かりました。

これまでのチムニーの構造と電気特性を合わせて考えると、チムニーは、銅・鉄・鉛などからなる硫化鉱物のネットワークが形成される、特定の成長時期に発電する可能性があることが示唆されます（図3A）。チムニー形成の初期段階では、硫酸塩鉱物が析出した後、閃亜鉛鉱を中心とする構造に変化します。この段階では、チムニー壁は電気を通さないため、熱起電力はほとんど発生しません。しかし、チムニーが成長して熱水と海水が隔てられると、内部温度が上昇し、黄銅鉱や方鉛鉱などが熱水流路周囲に形成されます。これらの層は薄くても、3次元的に熱水流路の表面を膜のように覆うため、大きな温度勾配が生じ、電子を熱水側から海水側に運ぶことができます。例えば、200～300℃の温度差がある場合、熱起電力は10～210 mVに達し、熱水と海水の酸化還元による電位差（約500 mV）に匹敵する大きさです。このような電位差は、チムニー内部で熱水が電子を放出する反応（例：硫化水素が硫黄に変化）や、外側で海水が電子を受け取る反応（例：酸素が水になる反応）を通じて、電気を生み出すと考えられます。つまり、熱起電力が加わることで、チムニーの内と外における熱水と海水の中でそれぞれに起こる化学的な反応を妨げていたエネルギーの壁を越え、電子をやり取りする反応を促進する役割を果たしているのです（図3B）。さらに、チムニーを構成する硫化鉱物の種類は地質環境によって変わるため、沖縄トラフや東太平洋中央海嶺のようにより深く高温の熱水が噴き出す場所では、より大きな発電が起こっている可能性があります。

今後の展開

本研究では、海底熱水噴出孔で形成されるチムニーが、構成鉱物の変化と温度上昇に伴って、成長の特定の時期に自発的に発電することを明らかにしました。チムニーの内側と外側では、電子のやり取りによって、さまざまな有機・無機の化学反応が進むと考えられます。今後は、深海での発電現象がどのような化学反応を引き起こし、深海底の生態系にどのようにエネルギーを供給しているのかを明らかにする研究が期待されます。さらに、今回の成果は、深海底の熱エネルギーを電気に変換する技術開発につながる可能性もあり、深海資源の利用や新しいエネルギー技術の研究に役立つことが期待されます。

謝辞

本研究は、東京大学大気海洋研究所の共同研究プログラムの支援により実施されました（R/V Shinsei Maru, JURCAOSS22-16, and JURCAOSS23-06）。日本学術振興会科学研究費助成事業、「挑戦的研究（萌芽）（JP22K18723、JP24K21559）」、「学術変革領域研究（A）（JP22H5109）」の支援により実施されました。

本論文は「東北大学2025年度オープンアクセス推進のためのAPC支援事業」の支援を受け、Open Accessとなっています。

用語解説

注１．
チムニー：海底の熱水活動によって供給された金属元素が、海底面上で硫化鉱物、酸化鉱物、珪酸塩鉱物、硫酸塩鉱物などとして沈殿し、熱水噴出孔の周囲に形成される煙突状の鉱体。

注２．
酸化還元：酸化が電子を手放すこと、還元が電子を受け取ることを示し、それが必ず同時に起こるために酸化還元と呼ばれる。

注３．
半導体：電気をよく通す金属とほとんど通さない絶縁体の中間の性質を持つ材料。電子が主に電気を運ぶ半導体をn型半導体と呼ぶ。

注４．
熱電変換:温度差を直接電気エネルギーに変換したり、その逆に電気から温度差を生み出す技術。

注５．
ゼーベック係数：試料の両端に温度差を与えたときにどれだけ熱起電力（電圧）が生じるかを表す値。この値が大きいほど、少しの温度差でも電圧を生みやすい材料と言える。n型半導体はゼーベック係数がマイナスの値を持つ。

注６．
パワーファクター：温度差を与えたときに、どれだけ大きな電圧が生じ、さらに電気が流れやすいかを示す指標。

論文情報

タイトル：Self-organized thermoelectric conversion systems on the deep seafloor
著者：Atsushi Okamoto*, Misaki Takahashi, Yoshinori Sato, Ryoichi Yamada, Kentaro Toda, Tomonori Ihara, Tatsuo Nozaki
*責任著者：東北大学大学院環境科学研究科　教授　岡本 敦
掲載誌：Geology
DOI：10.1130/G53463.1
URL：https://doi.org/10.1130/G53463.1

演題：Multipartite entanglement of random states

日時：2026年2月10日(火) 10:30-12:10

会場：早稲田大学　西早稲田キャンパス55号館N棟2階　物理応物会議室

講師：Pascazio, Saverio（Bari University, Italy 教授）

対象：学部生、大学院生、教職員、一般

参加方法：希望者は直接会場へお越しください

主催：先進理工学部 応用物理学科

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

TEL：03-5286-3000

一般選抜試験のため、入試・広報オフィスは以下のとおり閉室となります。

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眼圧を高感度に無線計測するスマートコンタクトレンズを開発
～緑内障評価に有効であることを実証～

発表のポイント

• ソフトなコンタクトレンズに歪センサアンテナを搭載することに成功しました。
• パリティ・時間(PT)対称性共振結合回路と無線式歪センサを統合した新回路によって、従来方式の約183倍の感度(36.333Ω/mmHg)を達成しました。
• 市販の眼圧計と高い線形相関を確認するとともに(豚眼：R²＝0.93、ウサギ：R²＝0.97)、高い透明性(可視光透過80％以上)と生体安全性を実証しました。
• 本成果は、健常者(10～21 mmHg)が装着することで、緑内障患者の早期発見に向けたスマートレンズとしての開発につながります。

早稲田大学大学院情報生産システム研究科の三宅 丈雄（みやけ たけお）教授、アズハリ・サマン次席研究員らの研究グループと山口大学大学院医学系研究科眼科学講座の木村 和博（きむら かずひろ）教授、芦森 温茂（あしもり あつしげ）助教らの研究グループは、導電性高分子(PEDOT:PSS)と接着性高分子(PVA)からなる多層構造抵抗センサと、PT対称性の原理を利用した無線検出器を組み合わせることで、眼圧^※1変化に応じた抵抗変化を高いQ値^※2で読み取ることに成功しました。

その成果は、6～36 mmHgの眼圧範囲において36.333 Ω/mmHgの感度（従来方式0.198 Ω/mmHgの約183倍）を達成しました。さらに、豚眼を用いたin vitro^※3実験およびウサギを用いたin vivo^※4実験により、商用眼圧計との間でR²^※5＝0.93～0.97の高い線形相関が得られ、本センサレンズが長期かつ非侵襲で眼圧をモニタリングできるプラットフォームとして有望であることを示しました。また、透明性(可視光透過80％以上)および安全性(家兎試験およびヒト角膜上皮細胞の生存率90％以上)を確認しました。

本成果は、国内失明原因の第1位である緑内障の早期診断・治療効果モニタリング・在宅管理に貢献する、新しいスマートコンタクトレンズ技術として期待されます。

以上は、国立研究開発法人日本医療研究開発機構（AMED）、科研費基盤A、キヤノン財団による助成の成果であり、2026年1月13日（火）に国際学術誌「NPJ Flexible Electronics」に公開されました。

研究の背景

コンタクトレンズは、屈折異常を矯正して視力を補強するウェアラブルな高度医療機器としての利用が一般的ですが、近年、これらのレンズと電子デバイスを組み合わせることで「視る」から「診る」を実現可能なスマートコンタクトレンズの開発が盛んです。とりわけ、国内失明原因の第１位である緑内障を検出する医療機器の開発は、疾患予防や遠隔在宅診療を実現する点で「健康寿命の延伸」や「医療費削減」への期待が高まっています。さらに、緑内障の患者数^*１は、400万人以上(40歳以上の5%、70歳以上の10%)に達しており、その開発は急務と言えます。

眼球内圧力(以下、眼圧と呼ぶ)が上昇することで視神経を傷害し、失明を引き起こす緑内障は、日中よりも夜間に進行することが知られており、病気の進行具合を把握する上で24時間眼圧を計測することが求められています。病院では、ゴールドマン眼圧計などの大型装置を利用して測定できますが、夜間の測定には不向きです。そこで、コンタクトレンズに電子素子を搭載することで24時間計測を実現させるスマートコンタクトレンズの開発が進んでいます。

開発が進む眼圧計測レンズは、レンズ素材が硬くドライなハードコンタクトレンズを使用しているため、装用感が悪く、また、高価であるという欠点がありました。一方、ウェットなソフトコンタクトレンズ上に従来型アンテナ素子を搭載すると、レンズの乾燥により電子部品が基板から剥がれてしまうなどの課題がありました。そこで、本研究グループは、電気メッキを利用したアンテナの微細加工技術によって、無線アンテナの伸縮性を実現し、さらに、アンテナ自身が歪を感知できる最適な構造(形状や厚みなど)を明らかにしました。伸縮性を有する歪センサアンテナは、市販のソフトコンタクトレンズ上に搭載することができます。レンズが乾燥してもセンサ素子が基板から剥がれることはありません。また、アンテナとセンサが一体化したことで、センサの価格を抑えることができました。自宅で計測できるセルフケア商品としての普及が期待されます。

研究の成果

研究グループでは、これまでレンズとメガネ間における無線通信技術(PT対称性共振結合回路^※6)の開発に取り組み、涙中糖度を計測する超高感度なバイオセンシングレンズの開発に成功してきました。この実現のためアンテナの形状や材料選定(Mg, Zn, Au, Cu, 合金, カーボンナノチューブ, MXene^※7など)に加え、レンズに搭載可能な共振器および検出器などの回路設計、データ解析のためのソフトウェア開発に取り組んできました。

本研究では、コンタクトレンズ側の受動共振回路に対し、読み出し側(受信機)の回路にPT対称性の概念を導入した新しい原理の共振結合回路を用いました。まず従来型の検出器では、70 MHz付近でモードスプリット^※8に起因する2つのピークが観測され、帯域幅は約3.5 MHzと広いことに加え、6～36 mmHgの眼圧変化に対して70 MHzにおける抵抗変化はわずか5.94 Ωにとどまっていました。これに対して、負性抵抗素子を組み込んだPT共振結合回路では、損失を能動的に補償することにより、共振ピークの帯域幅は約0.206 MHz、Q値は339.15へと大きく向上し、従来アンテナのQ＝15.71と比べて格段に高い共振特性が得られました。豚眼に本スマートコンタクトレンズを装着し、PT検出器で読み出した場合、6～36 mmHgの眼圧変化に伴い検出される実数インピーダンスZ′は−4.5 kΩから−5.59 kΩへと大きく変化し、その絶対値の変化量は従来アンテナの数百倍に達しました。感度で比較すると、従来検出器での0.198 Ω/mmHgに対してPT検出器では36.333 Ω/mmHgを達成しており、約183倍の高感度化に成功しています。さらに、このシステムでは共振周波数がほぼ一定に保たれるため、単一周波数でZ値(リアルタイム成分にインピーダンス)のみを監視すればよく、周波数スキャンが不要である特徴を有しています。ここでは、商用眼圧計(トノメータ)で測定した眼圧値と本研究で開発したセンサレンズから得られた抵抗値の相関を調査したところ、決定係数R²＝0.93という高い線形相関が得られ、本システムが豚眼において眼圧を定量的に再現できることが示されました。

さらに、生体眼における連続測定の実現可能性を検証するため、ウサギを用いたin vivo実験を行いました。麻酔下のウサギの眼圧をトノメータで測定したのち、人工涙液を滴下してスマートコンタクトレンズを装用し、PT検出器を搭載させたゴーグルを装着して無線測定を開始しました。その後、前房内にヒアルロン酸ナトリウムを注入することで眼圧を意図的に上昇させ、注入前、注入直後、さらに2日後に再度測定を行い、各時点でトノメータ値とコンタクトレンズ由来の抵抗値の両方を取得しました。各測定は1回あたり10分間実施し、その間の抵抗値変化をベクトルネットワークアナライザで5秒ごとに記録しました。得られたデータをMATLABで解析した結果、ウサギにおけるトノメータ眼圧値とコンタクトレンズ抵抗値の間には決定係数R²＝0.97という非常に高い線形相関が認められ、生体眼においても本システムが眼圧変動を精度良くトレースできることが明らかになりました。安全性評価としては、レンズ装着後の流血評価に加え、サーモグラフィを用いた温度分布を測定したところ、いずれの実験における有意な差は見られませんでした。また、ヒト角膜上皮細胞を用いた生体適合性試験においては、２４時間および４８時間後においても、９０％以上の細胞生存率を示すことを確認しました。

研究の波及効果や社会的影響

本研究で開発した高感度スマートコンタクトレンズは、眼圧を連続的かつ非侵襲でモニタリングできる世界でも数少ない技術であり、緑内障の早期発見と進行管理に大きな社会的重要性を有します。従来の眼圧計測では困難であった夜間や在宅での連続計測が可能となることで、病気の進行を左右する眼圧変動を正確に把握でき、患者のQOL向上および失明リスクの低減が期待されます。また、本技術はソフトコンタクトレンズを基盤とするため装用性が高く、セルフケア型医療デバイスとして幅広い年齢層に普及する可能性があります。

さらに、PT対称性を用いた無線高感度計測という本研究の新しい原理は、眼科領域に留まらず、心血管・皮膚・呼吸といった他の生体計測デバイスにも応用でき、次世代ウェアラブル医療機器開発の基盤技術となることが見込まれます。高齢化が進む社会において、医療費削減や遠隔医療の推進にも寄与し、医療DXの実現に向けた重要な一歩となります。また、柔らかい電子デバイス、スマートレンズ産業、バイオセンシング用半導体など周辺産業への展開が期待され、医療・工学・材料分野に跨る新しい市場創出と技術革新の加速につながると考えられます。

今後の展望

今後は事業化に向け、本計測レンズを用いて医学部眼科の先生と共同で臨床試験に取り組みます。そのため、レンズデバイスの試作、レンズ製造、無線検出器を開発して頂ける企業との連携を進めていく予定です。

用語解説

*1：多治見スタディの結果を参照。
https://www.ryokunaisho.jp/general/ekigaku/tajimi.php

※１　眼圧（Intraocular Pressure: IOP）：
眼球内部の圧力。正常範囲（おおよそ10～21 mmHg）から大きく外れると視神経障害のリスクが高まり、緑内障の発症・進行と関連する。

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

※３　in vitro：
生体から取り出した細胞や組織などを用いた人工的な環境で実験・測定することを意味する。

※４　in vivo：
生きた生体で実験・測定を行うことを意味する。

※５　線形相関R²：
データのばらつきを回帰直線がどれだけ説明できているかを示す指標で、値が1に近いほど、データの点がほとんど一直線上に並んでおり、強い相関があると判断できる。

※６　PT対称性共振結合回路（Gain-Loss結合回路）：
増幅器による“ゲイン”と抵抗などによる“ロス”を対称的に配置して結合させることで、エネルギーの流れが釣り合う特殊な共振状態（PT対称状態）を実現し、高感度な周波数応答や異常な結合特性を得る回路のことである。

※７　MXene（マキシン, M=遷移金属、X＝C, N）：
二次元構造の遷移金属炭化物・窒化物・炭窒化物の総称。高い導電性や電磁波遮蔽性能を有するため、エネルギー貯蔵、センサ、電子デバイスなど多方面で期待されている。

※８　モードスプリット：
もともと1つの共振周波数をもつ縮退モードが、共振器間の結合や外乱によって複数の固有モードへ分離し、それぞれ異なる共振周波数を示す現象のことである。

論文情報

雑誌名：NPJ Flexible Electronics
論文名：Ultra-Sensitive Real-Time Monitoring of Intraocular Pressure with an Integrated Smart Contact Lens Using Parity-Time Symmetry Wireless Technology
執筆者名：Te Xiao, Hanzhe Zhang, Taiki Takamatsu, Saman Azhari, Atsushige Ashimori,Kazuhiro Kimura, and Takeo Miyake *責任著者
掲載日時：2026年1月13日（火）
DOI： https://doi.org/10.1038/s41528-025-00507-3
掲載URL： https://www.nature.com/articles/s41528-025-00507-3

研究助成

・国立研究開発法人日本医療研究開発機構医療機器等研究成果展開事業（開発実践タイプ）、JP23hma322020
・科学研究費補助金基盤研究A
・キヤノン財団研究助成

演題：Energy level schemes or rare earth ions in a free state and in crystals

日時：2026年1月29日(木) 15:00-16:40

会場：早稲田大学　西早稲田キャンパス 63号館1階　電子物理システム学科会議室

講師：Mikhail Brik（Professor,University of Belgrade,Serbia）

対象：学部生、大学院生、教職員、一般

参加方法：希望者は直接会場へお越しください

主催：基幹理工学部 電子物理システム学専攻

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

TEL：03-5286-3000

2026年度 基幹・創造・先進理工学部　学士入試・3年編入学試験（11月22日実施）の「数学」「線型代数・微積分」について、

「出題の意図」および「解答例」を公表いたします。

●2026年度学士入試・3年編入学試験　出題の意図・解答例（数学）
●2026年度学士入試・3年編入学試験　出題の意図・解答例（線型代数・微積分）

※試験問題については、こちらよりご確認ください。