生成AIで都市の未来を高精度に予測
―持続可能な都市計画を支える新たな都市予測技術を開発―

発表のポイント

• 生成AIを活用し、将来の都市構造を高精度に予測する新手法を開発。
• 建物密度・高さ・交通ネットワークなど複数の都市データを統合し、未来の都市レイアウトを生成。
• 都市の成長や変化を長期的に可視化でき、持続可能な都市計画や再開発の検討に活用可能。

北陸先端科学技術大学院大学 創造社会デザイン研究領域の謝浩然准教授（早稲田大学 理工学術院総合研究所 主任研究員）とDu, Xusheng大学院生（博士後期課程、JAIST SPRING研究員）と、天津大学建築学院のZhen Xu教授らの研究グループは、生成AIを活用し、都市の将来構造を高精度に予測する新技術を開発しました。

本研究では、建物密度や高さ分布、交通ネットワーク、過去の都市変化パターンなど複数の都市の特徴データを統合的に分析し、長期的な都市構造の進化を一貫して可視化しました。本研究成果は、持続可能な都市計画や再開発戦略の高度化に貢献する基盤技術として期待されます。

なお、本研究成果は、都市計画分野の国際学術誌「Sustainable Cities and Society」（Elsevier発行）に掲載され、2026年3月3日にオンライン版で公開されました。

（１）研究の背景

世界的な都市化の進展により、都市は急速な成長と環境負荷の増大という二重の課題に直面しています。2050年までに世界人口の約7割が都市部に居住すると予測されており、都市構造の設計は、エネルギー消費や温室効果ガス排出、交通効率、生活の質などに大きな影響を及ぼします。そのため、現在の開発計画が将来の都市空間にどのような変化をもたらすのかを見通し、長期的視点に立った都市計画が求められています。しかし、都市の発展は、建物密度や高さ分布、交通ネットワーク、過去の発展経路など、複数の要因が相互に影響しながら進行する複雑な意思決定プロセスです。既存の生成AIモデルは、画像生成や、条件を一つだけ指定した変換には高い性能を示すものの、都市のように多様な要因が絡み合う空間構造を統合的に扱うことが難しく、また大規模都市を分割して処理する際には、隣接領域との不自然な不連続が生じやすいという課題がありました。さらに、時間の経過に伴う都市進化のパターンを一貫して捉える仕組みも十分ではなく、持続可能な都市計画を支える長期予測ツールとしては十分とは言えませんでした。

（２）研究の内容

本研究では、これらの課題を解決するため、画像生成AIを基盤とした都市進化予測フレームワーク「MMCN（Memory-aware Multi-Conditional generation Network）」を提案しました（図1）。本手法は、過去の都市レイアウトに加え、建物密度マップ、建物高さマップ、道路構造マップといった複数の都市要因を同時に入力し、統合的に学習することで、将来の都市レイアウトを予測するものです。

特に本研究では、都市をパッチ単位で処理する際に問題となる境界の不連続性を解消するため、隣接パッチの情報を参照する仕組みを導入しました。これにより、道路や建物配置が領域をまたいで自然につながるよう制御できます。また、過去の都市レイアウトを明示的な条件として組み込み、都市の歴史的変化パターンを学習することで、単なる静的な生成ではなく、時間的連続性を持つ予測を可能にしました。さらに検証のため、中国・深圳市を対象に2005年から2024年までの複数時点にわたる都市データを整理し、建物レイアウト、密度、高さ、道路構造などを含む、複数種類・複数時点の都市情報をまとめたデータセットを構築しました。提案フレームワークの異なる都市環境における都市間汎化能力をさらに評価するため、中国の他の2つの主要都市である上海と天津のデータを用いた都市間汎化実験も実施し、多様な空間条件下においても一貫性のある安定した都市レイアウト予測に成功しました。

（３）研究の成果

都市データ（深圳市）を用いた検証の結果、提案手法は既存の生成AIモデルと比較して、将来レイアウト予測の精度と空間的一貫性の両面で向上しました。都市レイアウトの画像や構造の類似度を示す指標SSIM（Structural Similarity Index Measure）では0.885を達成し、従来手法を上回る結果を示しました。また、都市を複数の領域に分割して予測する際に課題となる、隣り合う領域同士の境界の自然さを評価する指標Boundary IoU（Boundary Intersection over Union）でも0.642を記録しました。これにより、隣接するエリア間で生じがちな不自然な分断が大幅に抑制されていることが確認されました。

図2に示す予測例では、既存手法では道路が途中で途切れたり、建物配置が不自然にずれる様子が見られるのに対し、提案手法では道路ネットワークや建物構造がより自然に連続していることが分かります。さらに、複数のパッチを接続した都市全体の再構成結果においても、都市構造が一貫した形で保たれていることが確認されました。

また、複数期間にわたる予測結果の比較（図３）から、提案手法は単なる現在構造の再現ではなく、時間経過に伴う都市の拡張や密度変化といった進化傾向を反映したレイアウトを生成できることが示されました。これにより、長期的な都市発展シナリオの検討に活用できる可能性が示唆されました。

（４）研究の意義と今後の展望

本研究は、複数要因の相互作用を踏まえて都市の将来像を予測する生成AIフレームワークを提示し、空間的連続性と時間的一貫性の双方を考慮した都市進化予測を実現しました。将来の都市構造を視覚的に比較検討できることは、再開発計画や土地利用政策の検討、持続可能な都市成長シナリオの評価における有力な技術基盤としての活用が期待されます。

今後は、他の国の都市への適用を通じて汎用性の検証を進めるとともに、より多様な都市形態を含むデータの拡充により、予測の安定性と一般化性能の向上を図ることが課題となります。また、実務における意思決定支援を見据え、都市計画のシナリオ分析に応用可能な形へと発展させていくことが期待されます。

（５）研究支援

本研究は、以下の研究資金の支援を受けて実施されました。

科学技術振興機構（JST）国家戦略分野の若手研究者及び博士後期課程学生の育成事業（BOOST） 次世代AI人材育成プログラム（若手研究者支援）（課題番号：JPMJBY24D6）

科学技術振興機構（JST）次世代研究者挑戦的研究プログラム（SPRING）（課題番号：JPMJSP2102）

中国国家重点研究開発計画（課題番号：2024YFC3808104-01）

中国国家自然科学基金（課題番号：52508023）

（６）論文情報

掲載誌：Sustainable Cities and Society
論文題目：AI-driven urban evolution forecasting: A unified memory-aware multi-conditional generation framework for sustainable development planning
著者：Xusheng Du, Chengyuan Li, Qingpeng Li, Yuxin Lu, Yimeng Xu, Ye Zhang, Zhen Xu, Haoran Xie* *責任著者
掲載日：2026年3月3日にオンライン版に掲載
DOI：10.1016/j.scs.2026.107272

光電流を従来の340倍に増幅する超小型光回路モニタを開発
～ AIデータセンターやLiDAR向け光回路を高精度化～

発表のポイント

• シリコンフォトニクス光集積回路向けにマルチモード干渉構造を活用して、高感度化と低損失化を実現し、従来のシリコンPIN型検出器と比べて約340倍の検出感度を実証しました。
• 光をほとんど減衰させない低損失動作と、数マイクロメートルの超小型化を両立しました。
• 特殊な材料や複雑な構造を用いない、シリコンのみの非常にシンプルな構造で増幅器を用いずに動作する低消費電力設計を実現しました。
• AIデータセンターやLiDAR用光集積回路の安定動作や省電力化などの高精度化と大規模化に貢献する研究成果です。

早稲田大学理工学術院の北 智洋（きた ともひろ）教授の研究グループは、シリコンフォトニクス^※1光集積回路向けの超小型光回路モニタを開発しました。生成AIの普及に伴い、AIデータセンターでは大規模な光通信回路の安定動作と省電力化が求められています。また、LiDAR(ライダー)^※2などの光センシング分野でも、光集積回路内部の光強度や共振状態を高精度に監視する技術が重要です。本研究では、マルチモード干渉^※3を利用した独自構造により、光をほとんど減衰させない低損失動作と高感度化を両立し、従来のシリコンPIN型検出器^※4と比べて、光を電流として取り出す能力を約340倍に高めることを実証しました。特殊材料を用いないシリコンのみのシンプルな構造で、電流増幅器を用いず低消費電力で動作します。本技術は、大規模光集積回路の高精度制御に貢献します。

本研究成果は2026年3月4日（水）に「IEEE Journal of Lightwave Technology」にて公開されました。

（１）研究の背景

近年、生成AIの急速な普及により、AIデータセンターでは膨大なデータ処理が行われています。大量の情報を高速かつ低消費電力で伝送するため、電気配線に代わり光通信が広く導入されています。また、自動運転や3次元計測に用いられるLiDARにおいても、小型で高精度な光制御技術が重要となっています。こうした通信とセンシングの両分野を支える基盤技術が、シリコンフォトニクスによる光集積回路です。

光集積回路では、リング共振器や干渉回路などの微小な構造によって光を制御します。これらの回路は温度変化や製造によるばらつきの影響を受けやすく、そのままでは通信性能の低下や動作の不安定化が起きる可能性があります。そのため、光の強度や共振状態を精密に監視しながら制御する必要があります。回路の大規模化が進むほど、こうした監視技術の重要性は一層高まります。

従来も回路内の光強度を測定するために光検出器^※5が用いられてきました。しかし、大きな光電流が得られる一般的なゲルマニウム-PIN型検出器は光を吸収して電流を得るため、回路内の光を減衰させます。検出器数が増えると、その損失は無視できなくなります。さらに、検出感度を確保するために増幅回路を必要とする場合が多く、消費電力や実装面積の増加も課題でした。

そのため、光をほとんど弱めず、小型で高感度、かつ低消費電力で動作する新しい回路内光モニタ技術が求められていました。

（２）研究の成果

本研究では、シリコンフォトニクス光集積回路の内部に直接組み込める、新しいインライン光モニタを実現しました。目的は、光をほとんど減衰させずに高感度で検出できる小型デバイスの開発です。

研究グループは、シリコン導波路内で生じるマルチモード干渉に着目しました。通信に用いられる赤外光に対して、シリコンはバンド間吸収がほとんどなく、導波路は低損失です。一方で、導波路表面の界面準位ではわずかな光吸収が生じます。吸収を強めれば感度は上がりますが、同時に損失も増えるというトレードオフが存在します。

本研究では、干渉により導波路中央に光電場が集中する位置に電極を配置しました（図1）。これにより、光の伝搬をほとんど乱さずに電極間距離を短縮しました。フォトコンダクティブゲイン^※6はキャリア寿命と走行時間の比で決まり、電極間距離が短いほど増加します。本構造ではこの原理を利用し、低損失性を維持したまま光電流を大きく増幅しました。

開発したインライン光モニタの長さは4.7マイクロメートルで、挿入損失は約0.03デシベルに低減しました（図2）。これは通常のシリコン導波路に電極構造を取り付けた構造と比較して1/75の低損失化を達成しています。さらに光通信やセンシングに用いられる広い波長範囲で低損失動作を確認しました。同時に、フォトコンダクティブゲインにより光電流を増幅し、従来のシリコン-PIN型検出器と比べて最大で約340倍の検出感度を達成しました（図3）。光吸収を増やすのではなく、生成された電荷を増幅することで高感度化を実現しました。

さらに、本モニタをリング共振器に組み込み、光電流スペクトルを測定しました（図4）。共振ピークに対応した明確な光電流の変化を観測し、回路内部の光強度や共振状態を高精度に把握できることを示しました。多数配置しても回路性能への影響は極めて小さいことを確認しました。

本成果により、超小型（4.7 マイクロメートル）、低損失（0.03 デシベル）、高感度（340倍）、低消費電力を同時に満たす光回路モニタを実証しました。

（３）研究の波及効果や社会的影響

本成果は、AIデータセンターにおける大規模光通信チップの高度化に貢献します。生成AIの拡大により、データセンターでは膨大な情報を高速かつ低消費電力で伝送する必要があります。光集積回路の大規模化が進む中、回路内部を高精度に監視する技術は不可欠です。本モニタは低損失で多数配置が可能なため、次世代のデータセンター間光通信やCo-Packaged Optics（CPO）^※7技術の発展に寄与します。

また、本技術はLiDAR用光集積回路にも応用可能です。リング共振器や光フェーズドアレイなどの精密制御が求められるセンシング分野では、回路内部の光強度や共振状態を高精度に把握することが重要です。本モニタは回路性能をほとんど損なうことなく組み込めるため、センシング精度の向上と小型化に貢献します。さらに、特殊材料を用いないシリコンのみの構造であるため、既存のシリコンフォトニクス製造プロセスとの高い互換性を持ちます。量産性とコスト面でも優位性があります。

本成果は、通信とセンシングを横断するシリコンフォトニクス基盤技術の高度化に寄与するものです。

（４）今後の展望

今後は、本モニタを多数集積した大規模シリコンフォトニクス光集積回路の制御技術を確立します。特に、データセンター間光通信（DCI）向けの多波長光トランシーバへの応用を進めます。回路内部の光強度や共振状態をリアルタイムに監視し、自律的に最適化する技術の実現を目指します。

また、LiDAR用光集積回路への展開も進めます。リング共振器や光フェーズドアレイと組み合わせることで、より高精度で安定した光ビーム制御を実現します。

さらに、本モニタをテラヘルツ（THz）波コヒーレント通信に用いる光変調器へ組み込み、超高速光源および変調器の高精度制御に応用します。THz波通信では光源の安定性と変調精度が重要であり、本技術はその基盤となる光回路内モニタリング技術として発展が期待されます。

（５）研究者のコメント

光集積回路の大規模化、多機能化が進む中で、回路内部を高精度に監視できる技術は不可欠です。本研究では、低損失性と高感度という本来トレードオフの関係にある性能を同時に実現しました。シリコンのみのシンプルな構造であることも大きな強みです。通信やLiDAR、さらにはTHz波コヒーレント通信へと展開し、次世代の光・電波融合技術の基盤を築いていきたいと考えています。

（６）用語解説

※1　シリコンフォトニクス：
シリコンを用いて光の通り道や光の制御機能を半導体チップ上に集積する技術。光通信や光集積回路の小型化・高機能化に利用されている。

※2　 LiDAR(ライダー)：
レーザー光を用いて対象物までの距離や形状を計測する技術。近年は、周波数を連続的に変化させたレーザー光を用いて距離と速度を高精度に測定するFMCW方式のLiDARの研究開発が進んでいる。

※3　マルチモード干渉：
幅の広い導波路内で複数の光の進み方が重なり合うことで、光の強さの分布が変化する現象。この性質を利用して光を分けたり集めたりすることができる。

※4　 PIN型検出器：
p型半導体、i層（電荷がほとんど存在しない層）、n型半導体の三層構造からなる光検出器。光を吸収して電流を生成する仕組みで、光通信や光計測などで広く利用されている。

※5　光検出器：
光を電気信号に変換する素子。光の強さを電流として読み取ることができ、光通信や光計測などに広く用いられている。

※6　フォトコンダクティブゲイン：
光によって発生した電荷が回路内で繰り返し電流として流れることで、光による電流信号が大きく増幅される現象。これにより小さな光でも高感度で検出できる。

※7　Co-Packaged Optics（CPO）
光通信モジュールと電子回路（スイッチICなど）を同一パッケージ内に集積する技術。電気配線の長さを短くすることで消費電力を低減し、データセンター向け高速通信の実現に向けて注目されている

（７）論文情報

雑誌名：IEEE Journal of Lightwave Technology
論文名：Compact and Ultra-Low-Loss Inline Optical Power Monitor Based on Multimode Interference for Silicon Photonic Integrated Circuits
執筆者名（所属機関名）：Tomohiro Kita*(早稲田大学), Kiyoharu Tsujishita(早稲田大学) *責任著者
掲載日時：2026年3月4日（水）
DOI：10.1109/JLT.2026.3670843
掲載URL：https://ieeexplore.ieee.org/document/11421590

（８）研究助成

本研究は、科学技術振興機構（JST） 研究成果最適展開支援プログラム A-STEP産学共同（育成型）「シリコンフォトニクスハイブリッドレーザを用いた超高解像度ＬｉＤＡＲ基盤技術の開発」（課題番号：JPMJTR23RG）の一環として行われ、一部は日本学術振興会（JSPS） 科学研究費助成事業「三次元ヘテロジニアス集積技術を用いた1チップLiDARの開発」（課題番号：23K26166）、総務省（MIC）戦略的情報通信研究開発推進事業(SCOPE) 「小型・低消費電力・低雑音THzトランシーバを実現する光電子融合ヘテロジニアス集積技術の研究開発」（課題番号：JP235003005）、村田学術振興・研究財団研究助成「1チップ超広帯域コヒーレント光源の研究開発」、テレコム先端技術研究支援センター研究費「自己注入同期現象を用いた超狭線幅集積型波長可変レーザの研究」の支援を受けて行われました。

ナノチューブ膜スタンプで細胞内液・ミトコンドリアを直接移送
～細胞機能を最大２５％向上させる新しい「細胞手術」技術を開発～

発表のポイント

• 細胞内液やミトコンドリアを別の細胞へ直接移送できるスタンプシステムを開発しました。
• 細胞生存率約95％、物質移送効率約90％という高い性能を実現しました。
• ミトコンドリア移送により、細胞内ATP産生量が最大２５％向上することを実証しました。

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）教授らの研究グループは、ナノチューブ膜を用いたナノ注射器(ナノチューブ膜スタンプ)に圧力制御機構を搭載させることで、細胞内液やミトコンドリアなどの細胞内成分を別の細胞へ高効率かつ高生存率を保ったまま直接移送することに成功しました。

本技術により、従来は困難であった細胞内部成分の抽出・保存・再導入を一体的に制御できるようになり、移送されたミトコンドリアが受容細胞内で機能し、アデノシン三リン酸(ATP)産生を有意に向上させることを世界で初めて定量的に示しました。本成果は、細胞治療、再生医療、細胞機能解析などの分野において、新たな「細胞手術」技術としての応用が期待されます。

以上は、科学研究費補助金、科学技術振興機構（JST） 戦略的創造研究推進事業 さきがけ「電子・イオン制御型バイオイオントロニクス」（JPMJPR20B8）による成果であり、2026年3月17日（火）に科学誌「Small Science」にオンライン版で公開されました。

（１）研究の背景

細胞間でタンパク質やRNA、さらにはミトコンドリアなどの細胞内成分が移動する現象は、細胞機能の制御や疾患進展に深く関与していることが知られています。実際、自然界においてはトンネリングナノチューブ（TNT）と呼ばれる細胞間チャネルを介して、ミトコンドリアを含む細胞内成分が細胞間で輸送される現象が報告されており、エネルギー代謝の補償や細胞生存、疾患進行との関連が注目されています。しかしながら、このようなTNTを介した細胞間輸送は、発生頻度が低く、特定の細胞種や病理条件に強く依存することが知られています。また、輸送される分子種やオルガネラ^※1、輸送量、方向性を人為的に制御することは未だ実現されておらず、自然界の機能を直接的に医療応用する段階には至っていません。

一方、人工的な細胞操作技術としては、ウイルスベクター、電気穿孔法(エレクトロポレーション)、脂質ナノキャリア(リポフェクション)など、主として「細胞内への導入」に特化した手法が広く用いられてきましたが、これらはいずれも生細胞から細胞内成分を抽出し、別の生細胞へ移送するという双方向操作には対応できません。マイクロインジェクションや原理間力顕微鏡(AFM)などのナノピペットを用いた単一細胞レベルでの吸引・注入操作も報告されているものの、極めて低スループット^※2であり、細胞損傷や操作再現性の点から、多数の細胞を対象とした細胞間移送技術としての汎用化には大きな課題が残されています。特に、ミトコンドリアのような機能性オルガネラを細胞機能を維持したまま、意図した細胞間で、かつ多数の細胞へ移送する技術は現在まで確立されておらず、細胞治療や細胞機能再設計を実現する上での技術的ボトルネックとなっています(表１)。

表１：従来技術と本研究技術の比較

（２）研究の成果

本研究では、自然界における偶発的な細胞間輸送（TNT）や、導入のみに特化した既存技術の限界を踏まえ、生細胞から細胞内成分を穏やかに抽出し、別の生細胞へ高効率に導入することを同一プラットフォームで実現するナノ注射器システムを開発しました。本技術は、ナノチューブ内部の圧力を精密に制御することで、抽出・保持・導入という一連の操作を連続的かつ再現性高く行える点に特徴があります。

【要素技術：圧力制御による抽出・保持・導入の一体化】
本研究で用いたナノチューブ注射器は、金ナノチューブ膜とガラス管から構成され、ナノチューブを細胞膜に挿入した状態でガラス管内部の圧力を制御することで、細胞内成分の出入りを制御します。ガラス管内の圧力(Pstamp)が細胞内圧(Pcell)より低い場合には、細胞内液が受動的にナノチューブ内へ流入し、細胞内成分の抽出が行われます。一方で、ガラス管内に緩衝液を加えることで内部圧力を調整すると、過剰な抽出を抑制し、細胞機能を維持したまま穏やかな物質交換が可能となります。本研究では、ナノチューブ内径が大きく、かつ、ナノチューブ密度が多いほど、抽出量は大きくなり、一方、ガラス管に加える緩衝液の量を増やすほど、抽出量は少なくなることがわかりました。特に約200μLの緩衝液をガラス管に入れると、抽出はほぼ抑制されることがわかりました。

一方、抽出された細胞内成分は、ガラス管内を密閉することでナノチューブ内部に一時的に保持されます。その後、導入工程ではガラス管内に緩衝液を追加して正の圧力を与えることで、保持された細胞内成分を標的細胞内へと能動的に押し出すことができます。図１下図に示したのは、チューブ内部に異なる体積のカルセイン液^※3を注入した際、どれだけのカルセインが膜を通過したかを示しています。そこでは、ガラス管を細胞が接着している高さまで水に沈めており、その際、200μLと300μLの間でカルセイン通過量に変化があることがわかります。これは、200μL以下では、カルセイン溶液の量が十分でないため、水圧の影響でカルセインの膜通過が減少するのに対し、300μL以上では、水の流れを発生させることができるため、カルセインが十分に通過したと考えています。この圧力制御に基づく操作により、従来は別個の操作として扱われてきた「抽出」と「導入」を一体化し、生細胞を維持したまま双方向の細胞間移送を実現しました(図１下図)。

【HeLa および NIH-3T3 細胞を用いた同種・異種間移送】
本技術の汎用性を検証するため、HeLa 細胞^※4および NIH-3T3 ^※5を用い、同種間（HeLa→HeLa、NIH-3T3→NIH-3T3）および異種間（HeLa→NIH-3T3、NIH-3T3→HeLa）での細胞内成分移送を行いました。その結果、いずれの組み合わせにおいても高い移送効率（約90%以上）と高い細胞生存率（約95%以上）が維持されることを確認しました。

特に異種間移送では、外来由来の細胞内成分に起因すると考えられる一時的な増殖抑制が観察されたものの、培養を継続することで細胞は回復し、最終的には正常な増殖挙動を示しました。これは、本技術が細胞機能を致命的に損なうことなく、細胞間で細胞内成分を移送できることを示しています。

【ミトコンドリア移送による細胞機能の向上（図２）】
さらに本研究では、ナノチューブ径の違いがミトコンドリア移送および細胞機能に与える影響を検証しました。ナノチューブ径が0.6μm(内径は約310nm)の場合、ミトコンドリアのサイズに対してチューブ径が小さいため、ミトコンドリアの抽出および移送はほとんど起こらず、標的細胞におけるATP産生量の有意な変化は認められませんでした。

一方、ナノチューブ径を1.5μm(内径は約1260nm)とした場合には、ミトコンドリアを効率的に抽出・移送することが可能となり、標的細胞内にミトコンドリアが実際に取り込まれていることが確認されました。その結果、ミトコンドリアを移送した細胞では、移送後24時間以内にATP産生量が有意に増加し、細胞機能が明確に向上しました。

この結果は、単なる細胞内液の移送では細胞機能の改善は起こらず、機能性オルガネラであるミトコンドリアそのものを移送できた場合にのみ、細胞機能の向上が実現されることを示しています。

（３）研究の波及効果や社会的影響

本研究成果は、細胞内成分移送を偶発的現象や特殊操作としてではなく、再現性・定量性を備えた操作技術として確立した点に社会的意義があります。抽出・保持・導入を同一プラットフォームで制御できる本技術は、さらなる自動化・制御機構を搭載することで、細胞操作の信頼性や評価基準の共有を可能とし、細胞を扱う研究・開発分野における操作技術の標準化と品質向上に資する基盤的成果ではないかと考えています。

（４）今後の展望

本研究で開発したナノ注射器は、生細胞から細胞内成分を抽出し、別の生細胞へ高効率に移送できることを実証した基盤技術です。今後は本技術の適用範囲を拡張し、さまざまな細胞種に対する再現性や安定性の検証を進めていく予定です。特に移植可能な細胞を用いた再生医療研究に取り組みたいと考えています。

一方、基礎研究として動物性細胞以外の細胞(植物、酵母、乳酸菌など)にも展開していきたいと考えています。これらを一研究室で実現することは困難ですので、本プロジェクトにご興味のある企業や研究機関との連携を模索していきたいと考えています。

（５）用語解説

※１　オルガネラ：
細胞内部に存在し、特定の機能を担う構造体の総称である。代表的なオルガネラには、エネルギー産生を担うミトコンドリア、タンパク質合成に関与する小胞体、物質の修飾・輸送を行うゴルジ体などがあり、細胞の機能や状態を支える重要な役割を果たしている。

※２　低スループット：
一定時間内に処理・解析できる試料数や対象数が少ないことを指す。細胞操作技術においては、1回の操作で扱える細胞数が限られている、あるいは操作に時間や熟練を要するため、多数の細胞を効率的に処理できない状態を意味する。

※３　カルセイン液：
蛍光色素であるカルセインを溶解した水溶液であり、物質の移動や透過性を可視化・定量評価するための試薬として広く用いられている。カルセインは水溶性が高く、細胞毒性が低いため、膜透過や流体移動の評価に適しており、本研究ではナノチューブ膜を介した物質通過量や圧力制御による移送挙動を評価する指標として用いられた。

※４　HeLa細胞：
世界で最も広く利用されているヒト由来の培養細胞株である。高い増殖能と安定した性質を有し、細胞生物学、がん研究、薬剤評価、細胞操作技術の検証など、基礎から応用まで幅広い研究分野で標準的なモデル細胞として用いられている。

※５　NIH-3T3細胞：
マウス胚由来の線維芽細胞から樹立された培養細胞株で、増殖性が安定しており、細胞増殖、分化、シグナル伝達、細胞操作技術の評価などに広く用いられている標準的なモデル細胞である。

（６）論文情報

雑誌名：Small Science
論文名：A Nanotube Injector for Cytoplasmic Transfer and Enhanced Mitochondrial Function
執筆者名：Bingfu Liu, Zhuhang Dai, Bowen Zhang, Kazuhiro Oyama, Chenxi Li, Yukun Chen,
Mingyin Cui, Takeo Miyake *責任著者
掲載日：2026年3月17日（火）
DOI：10.1002/smsc.202500598
掲載URL：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smsc.202500598

（７）研究助成

科学技術振興機構（JST）
戦略的創造研究推進事業 さきがけ「電子・イオン制御型バイオイオントロニクス」（JPMJPR20B8）

早稲田大学では大学創立150周年ならびに理工創設125周年に向けて、西早稲田（理工）キャンパスの再整備工事を行っております。

この度、再整備工事の第一期として新52号館を竣工。4階のラーニングコモンズは、学生・大学院生・教職員の多様な学びを支える新しい共創空間です。

歴史ある旧52号館の魅力を継承しながら、グループワークや自習、打ち合わせなど幅広い学修スタイルに対応する開放的な環境を整備。加えてフロア全体で交流や協働を促す設計となっています。

理工系教育研究の新たな拠点として期待されるラーニングコモンズの様子を、ぜひ動画でご覧ください。

【西早稲田（理工）キャンパス再整備工事について】
https://www.waseda.jp/top/news/93550
https://www.waseda.jp/150th/riko125th/donation/

早稲田大学では寄付者の皆様への新たな形で感謝を伝えるため、「バーチャル銘板プロジェクト」を始動させました。

今回はプロジェクトの根幹となるバーチャル銘板を制作している基幹理工学部表現工学科の河合研究室を訪問し、プロジェクトの概要、そして今後の計画について伺いました。

本プロジェクトの今後についてもご注目ください。

一般民間人の健康・快適宇宙空間を実現する宇宙QOL向上を目指した研究を開始
～JAXA・宇宙戦略基金「SX-CRANE」に私大で唯一の代表機関として採択決定～

概要発表のポイント

• JAXAの「宇宙戦略基金：宇宙転用・新産業シーズ創出拠点「SX-CRANE」」の採択を受け、国内の産官学9機関で、2030年以降に民間活動の拡大が期待される地球低軌道の宇宙空間を対象に、宇宙QOL向上を目指した有人宇宙滞在技術開発を推進します。
•  地上とは異なるECLSS※1（環境制御・生命維持システム）に支えられる宇宙空間において、十分な訓練を経ずに滞在する一般民間人がどう感じるのかの視点から、認知・感覚・生理反応に基づく人間中心のアプローチによりQOL向上を目指します。また、同空間における健康・快適性を維持する技術と環境条件に制約されない快適性を統合し、宇宙滞在における新しい宇宙QOL像の提示を目指します。
• 地球での実験データ、宇宙拠点での実証データ、ヴァーチャル環境でのデータを一体的に統合した統合データ解析プラットフォームを構築し、人の生理・認知・行動反応を多角的に再現・評価できる、新しい研究基盤の確立を目指します。

学校法人早稲田大学（所在地：東京都新宿区、理事長：田中愛治）は、2026年2月6日にJAXA（宇宙航空研究開発機構）の「宇宙戦略基金：宇宙転用・新産業シーズ創出拠点「SX-CRANE」」に代表機関として採択されました。代表機関として採択された中では、私立大学で唯一の採択となります。
2030年以降、地球低軌道の宇宙空間において、民間活動の拡大が期待されており、そこには訓練された宇宙飛行士だけでなく、民間人も活動対象のスコープに入ることが予想されます。本課題の採択を受けて、学校法人早稲田大学は慶應義塾大学、学校法人東京理科大学、学校法人東京女子医科大学、公立大学法人名古屋市立大学、国立大学法人大阪大学、有人宇宙システム株式会社、パナソニック株式会社、株式会社ジャムコの各連携機関とともに、宇宙QOL向上を目指した有人宇宙滞在技術開発を推進します。また、地球での実験データ、宇宙拠点での実証データ、ヴァーチャル環境でのデータを一体的に統合した、統合データ解析プラットフォームを構築し、宇宙と地上双方に価値を還元する新たな研究拠点の実現を目指します。
また、本課題の研究代表者が、別に研究代表を務めている教育・人材育成プログラム（文部科学省「宇宙人材育成事業」令和7年度採択「ECLSS環境における人間の快適性を支える製品・サービスデザイン人材育成プログラム」）と連携し、非宇宙分野からの人材育成、裾野拡大、社会受容の向上を推進します。

採択事業について

■研究費の名称：JAXA 宇宙戦略基金 宇宙転用・新産業シーズ創出拠点「SX-CRANE」
■技術開発課題の名称：一般民間人の健康・快適宇宙生活を実現する宇宙QOL研究開発拠点
■代表機関名：学校法人早稲田大学
■研究代表者：早稲田大学　理工学術院　野中 朋美（のなか　ともみ）
■連携機関(予定)：慶應義塾大学、学校法人東京理科大学、学校法人東京女子医科大学、
公立大学法人名古屋市立大学、国立大学法人大阪大学、有人宇宙システム株式会社、
パナソニック株式会社、株式会社ジャムコ
■支援予定期間：2026年4月～2034年3月（最長8年）
※当初契約期間は、契約日から最初のステージゲート評価が終了する日の属する年度末日まで。

背景と課題

現在、宇宙における有人活動は宇宙飛行士が担っており、ECLSS（エクルス：環境制御・生命維持システム）は、高度に選抜され長期訓練を受けた宇宙飛行士が生命維持を可能とすることを前提に、設計・開発されてきました。
その一方、一般民間人の宇宙旅行や商業宇宙ステーション構想の実現など、今後の民間活動の拡大が予測される地球低軌道の宇宙空間においては、健康維持に加え、快適に過ごせる環境の確保が不可欠となります。十分な訓練を受けずに宇宙空間に渡航する一般民間人にとって、快適性・QOLの向上や健康維持を支える製品・サービスは不可欠であり、今後、そのために必要な技術開発と研究拠点が必要となります。

本研究開発内容と実施体制について

本研究開発は、「人がどう感じるのか」の視点から、認知・知覚・生理反応に基づく人間中心のアプローチを導入し、宇宙拠点での健康・快適・QOL体験を統合的に設計する世界初の挑戦となります。以下の9つのグループによる3つの研究グループ群で、具体的な本研究開発項目を推進します。

＜システムデザイングループ群＞

1．民間宇宙ビジネス・サービスデザインG：
宇宙旅行や居住における利用者の選好・評価・心理的要因を定量化し、指標・ガイドラインGが各グループと連携して開発する「宇宙QOL指標」と結びつけることで、新しいサービスやビジネスの設計とともに、行動経済学の知見を応用し、宇宙環境において望ましい行動変容を促すサービスデザインの構築を目指します。さらに、サービスレベルごとの費用対効果を検証し、社会実装可能なビジネスモデルの提示を目指します。

2．システムデザインG：
居住空間に提供するQOL基盤のデザイン、各グループが開発するQOLアイテムにおけるQOL基盤および外部システムとのインターフェース設計を担当します。また、単にものが動くだけでなく、地上や宇宙でどのような試験を実施して社会実装していくか、社会実装を実現する分野融合研究開発のマネジメントを担当します。

3．宇宙実証G：
各研究グループにより創出された技術アイテム群を統合し、実際の宇宙環境あるいは模擬環境において段階的に検証・実装を目指す際に、開発した技術を宇宙実証および実装計画立案につなぐ役割を担います。また、「きぼう」有償フライト枠組みを活用し、技術成果を軌道上実証・社会実装に結びつけることを目指します。

＜健康・QOL・快適グループ群＞

４．快適・スポーツG：
運動・身体活動を通じた健康維持・ストレス軽減技術の開発を目指します。健康・快適度を評価する指標として、宇宙滞在における清潔評価指標、QOL-Fitnessスコアの開発、また、開発した技術を実装した空気・空間清浄装置、宇宙トイレ・宇宙エアシャワー、宇宙eスポーツ・フィットネスサービスプログラム、宇宙ヨガ・リラクゼーションプログラムの開発を目指します。

５．人間工学・クロスモーダル・アートG：
人間の感覚機能や多感覚の統合（クロスモーダル）にかかる特性を活用し、XR（クロスリアリティ）技術を用いた宇宙酔いの訓練対策プログラムや、宇宙での狭隘な住空間におけるアートの視座を取り入れたリラクゼーションの試みなどを通して、快適な宇宙旅行のUX（ユーザーエクスペリエンス）のデザインを目指します。

６．健康・医学G：
民間人の宇宙滞在における健康維持を目的に、宇宙環境を模擬した細胞/組織培養実験から一般民間人を対象とした閉鎖環境下での研究まで、包括的に展開できる研究開発プラットフォームを構築しつつ、階層的に宇宙環境の影響を解明し、その改善策の創出を目指します。

＜基盤技術グループ群＞

７．統合実験プラットフォームG：
AI技術を駆使し、人の生理・心理状態を仮想的に再現する「生理・心理デジタルツイン」、民間宇宙ステーションや宇宙ホテルを模擬する「ヴァーチャルQOL空間」を統合した、次世代の「仮想実験環境」の開発を目指します。

８．解析・デバイスG：
外的環境（温度・湿度・O2/CO2・宇宙放射線など）と内的環境（体温・心拍・脳波・ホルモンなど生体データ）の両面を網羅的に計測・解析し、軽微な体調変化を早期検知して、健康リスクを未然に防ぐこと、また、微小重力や宇宙特有の制約条件に適応した計測技術・解析モデルの開発を目指します。

９．指標・ガイドラインG：
健康・快適性・QOLの評価指標と標準化ガイドラインを設計・検証・規格化を目指します。宇宙飛行士の健康・心理モニタリング、閉鎖環境知見、航空宇宙医学、国際機関文書を統合し、サービスレベル別に実装可能な枠組みの提示を目指します。

これらの研究開発内容は、「快適・スポーツ」、「人間工学・クロスモーダル・アート」、「健康・医学」を核とした人間中心の研究アプローチで行い、それらを統合・実証する「システムデザイン技術」、「サービス・システムデザイン」、「宇宙実証」等の基盤技術を柱として開発を進めることで、単なる要素技術の寄せ集めではなく、システムアーキテクチャ設計に基づく「しくみのデザイン」によって、宇宙拠点と地球における生理・認知・行動データを統合的に活用する新たな有人宇宙滞在技術の創出を目指すことができます。このことにより、「宇宙QOL基盤」と「宇宙QOLアイテム群」の開発につなげ、民間宇宙ステーションや宇宙ホテルの事業者が構築する居住モジュール内部の体験空間に導入される独立・分散型の要素技術を、宇宙QOL基盤上に製品・サービスのアイテム群として供給することを目指します。

また、地球での実験データ、宇宙拠点での実証データ、ヴァーチャル環境でのシミュレーションデータを一体的に統合し、AI解析によって知見を抽出する統合データ解析プラットフォームの構築も目指します。これにより、現実環境と仮想環境を横断した新しい研究基盤を確立し、人の生理・認知・行動反応を多角的に再現・評価することを目指します。

研究者のコメント

宇宙空間における民間活動の拡大に向けて、これまでの「生命維持」を前提とした技術から、「一般民間人が快適に過ごすための環境と体験」を設計する新たな段階へと移行しています。
早稲田大学は、システム工学および人間中心設計の知見を基盤として、人の認知・感覚・生理反応を統合的に捉え、宇宙における健康・快適・生活の質（QOL）を科学的に設計する研究に取り組んできました。本研究では、これまで宇宙飛行士を前提として構築されてきたECLSSを、「人がどう感じ、どのように快適に過ごすか」という人間中心の視点から、宇宙QOLを科学的に設計し、宇宙空間における快適性を拡張することを目指します。
日本は、環境制御技術、健康管理技術、精緻なセンシング・解析技術、そしてきめ細やかなサービス設計に代表される高度なサービス産業において、世界的に高い競争力を有しています。これらの非宇宙分野で培われた技術と知見を宇宙分野へ体系的に接続し、人間中心の宇宙生活設計という新たな研究領域を切り拓く挑戦です。そのため、医学、工学、人間工学、スポーツ科学、宇宙実証、システム工学、行動経済学・経営工学・サービス工学、産業技術を横断する、国内でも類を見ない大規模かつ統合的な研究体制のもとで本研究を推進します。大学、研究機関、企業がそれぞれの強みを結集した圧倒的な研究体制により、基礎研究から宇宙実証、社会実装までを一体的に推進できる点が大きな特徴です。
早稲田大学は、本研究開発拠点の代表機関として、日本の強みを結集した宇宙QOL・ECLSS研究の国際的な中核研究拠点を形成し、宇宙における人間中心の快適設計を世界に先駆けて実現を目指します。そして、宇宙で培われた技術と知見を地上社会へ還元することで、都市環境、建築、サービス産業など幅広い分野の革新にも貢献し、宇宙と地上の双方に新たな価値を創出してまいります。

用語解説

※1　ECLSS（エクルス：Environmental Control and Life Support System／環境制御・生命維持システム）
宇宙船や宇宙ステーションなどの閉鎖環境において、人が安全に生活するために必要な酸素の供給、水の再生、二酸化炭素の除去、温度・湿度・気圧の調整などを行い、居住環境を維持する基盤システムです。

過渡的パウリ遮蔽効果による広帯域・超高速光スイッチング
～電子温度制御により新たな光変調機構を発見～

発表のポイント

• • 縮退半導体^※1 窒化インジウム（InN）薄膜を対象に、多色プローブ光を用いたポンプ–プローブ時間分解透過率測定^※3を行い、可視光から近赤外領域にわたる広帯域の超高速光スイッチングを実証しました。
  • この実証において、高強度光励起によって生じる「過渡的パウリ遮蔽^※2」が現れ、InN材料が瞬時に光学的透明状態へと変化することを明らかにしました。
  • 従来は大量の光励起キャリア^※4注入が必要と考えられていた過渡的パウリ遮蔽が、本研究により、電子温度上昇に伴う電子分布の再構成のみで発現することが明らかになりました。
  • これらの成果は、次世代の超高速光変調器、光シャッターの高度化に加え、光計算・光通信向けフォトニックデバイスの実現につながることが期待されます。

近年、非常に強く、しかもきわめて短い時間で光を出すレーザー技術が大きく進展しています。このレーザー技術を固体材料と融合することで、従来にはない機能を有する材料やデバイスの創出が期待されています。例えば、強いレーザー光を照射すると、通常は光を通さない物質が一時的に透明になることがあります。レーザー光を超高速でON/OFF制御すれば、物質の透明・不透明を超高速でスイッチングすることが可能となり、光スイッチや光信号制御などへの応用が期待されます。
早稲田大学理工学術院の賈軍軍（じゃ じゅんじゅん）教授の研究グループは昨年、フェムト秒レーザー照射によってマルチバレー半導体中の光励起電子分布を制御する新しい光変調機構を発見し、可視光から赤外線に至る広帯域で光スイッチングが可能であることを実証しました「Physical Review Applied, 23, 024060 (2025)」。本研究では、この概念をさらに発展させ、縮退半導体InNにおいて、フェムト秒レーザーにより電子の「温度」を瞬時に制御することで、広帯域な光スイッチングが可能になることを明らかにしました。
本成果は、超高速かつ広帯域な光制御を実現する新たな原理を示すものであり、次世代の超高速光変調器や光シャッターの高度化に貢献するとともに、低遅延・高効率が求められる光計算・光通信向けフォトニックデバイスへの応用が期待されています。
本研究成果は2026年1月20日に「Physical Review B」に公開されました。

これまでの研究で分かっていたこと

半導体材料では、バンドギャプ以上の高強度レーザーを用いると、多数の電子が価電子帯から伝導帯に高密度に励起されることが知られています。これらの電子は電子－フォノン散乱によって速やかに伝導帯下部へ緩和し、伝導帯底における電子占有が増加します。この電子占有の増大、すなわちパウリ遮蔽（Pauli Blocking)効果により、バンド間吸収が一時的に抑制され、物質が透過的になる現象が観測されてきました。従来、この過渡的パウリ遮蔽効果は主として高強度光励起による伝導帯に大量電子の注入に起因すると理解されてきました「Physical Review Applied, 23, 024060 (2025)」。

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、代表的な半導体材料であるInNを用いて、パルスレーザーの高密度光励起によって電子温度を制御することで、近赤外から可視光領域にわたる多色光の透過・不透過を超高速で切り替えられるかを検証しました。
InNにおいて、フェムト秒レーザー照射により伝導帯中の電子温度が瞬時に上昇し、それに伴って電子分布が熱的に広がることを明らかにしました。この電子分布の変化により、従来、光を吸収していた遷移が一時的に抑制されます。その結果、「電子温度の急激な上昇」のみを過渡的パウリ遮蔽効果の駆動原理として、物質の透明・不透明を超高速かつ広帯域に制御できることになります。さらに、InNにおける光スイッチングは可視光から近赤外域にわたる複数のスペクトル的スイッチング中心を有することが明らかとなりました。この成果は、単一材料において多色光を同時に制御可能であることを示し、電子温度制御に基づく新たな広帯域光変調原理を確立するものです。

研究の波及効果や社会的影響

本研究では、明らかになった過渡的パウリ遮蔽に基づく超高速・広帯域光スイッチング機構は、従来の電子デバイスの速度限界を超える新たな情報処理技術の基盤となります。特に、フェムト秒〜ピコ秒時間スケールで動作する全光型スイッチングは、将来の高速・低遅延情報通信に大きな波及効果をもたらします。とくに、可視光から近赤外にわたる広帯域動作は、波長分割多重（WDM）光通信や多波長を同時に扱うフォトニック回路への応用に適しており、データセンターや高性能計算（HPC）における通信の高速化・省電力化に貢献することが期待されます。
また、本研究は、既存の産業利用実績を有する材料を用いて新機能を引き出した点でも意義が大きく、基礎物理の深化と社会実装を橋渡しする研究として、今後のフォトニックデバイス産業や関連技術分野への長期的な社会的影響が期待されます。

課題、今後の展望

本研究で確立した電子温度駆動型の過渡的パウリ遮蔽効果は、材料固有の電子構造に基づいて光スイッチング波長域を設計できる指針を与えるものであり、今後はワイドバンドギャップ半導体材料への展開が期待されます。さらに、サブピコ秒時間スケールで動作する全光型非線形応答は、光ニューラルネットワークに応用の展開に期待され、ひいてはフォトニック AI への展開としての応用が期待されます。

研究者のコメント

本研究は、現代の情報技術における根本的課題「いかにして、より高速かつ低エネルギーで信号を切り替えるか」に応えるものです。レーザー光によって材料の透明性を瞬時に制御できることを示した本成果は、超高速・広帯域・高効率な次世代フォトニックデバイスへの新たな道を切り拓くものです。

用語解説

※1　縮退半導体
不純物ドーピングや欠陥などによってキャリア（電子または正孔）の濃度が非常に高くなり、フェルミ準位が伝導帯（n型）または価電子帯（p型）の内部にまで入り込んだ半導体のことを指す。

※2　過渡的パウリ遮蔽
半導体にフェムト秒などの超短パルスレーザーを照射した際に、電子の占有状態が一時的に変化し、光吸収が抑制される現象であります。この効果は、電子が同一の量子状態を同時に占有できないというパウリの排他原理に基づいています。

※3　ポンプ–プローブ時間分解透過率測定
超短パルスレーザーを用いて物質中の超高速現象を観測する実験手法であります。まず、強いレーザーパルス（ポンプ光）を試料に照射して電子状態を励起し、その後、時間遅延を制御した弱いレーザーパルス（プローブ光）を照射することで、励起後の光学特性の変化を時間分解して測定します。

※4　光励起キャリア
バンドギャップ以上の光子エネルギーをもつ光を半導体や絶縁体に照射すると、価電子帯から伝導帯への電子遷移が生じ、電子と正孔の対が生成される。これらの電子－正孔対を光励起キャリアと呼ぶ。

論文情報

雑誌名：Physical Review B
論文名：Transient Pauli blocking in an InN film as a mechanism for broadband ultrafast optical switching
執筆者名（所属機関名）：Junjun Jia^a※、Minseok Kim^b、Yuzo Shigesato^b、Ryotaro Nakazawa^c、Keisuke Fukutani^c、Satoshi Kera^c、Toshiki Makimoto^a、Takashi Yagi^d

a：早稲田大学
b：青山学院大学
c：分子科学研究所
d：産業技術総合研究所
掲載日時：2026年1月20日
掲載URL：https://doi.org/10.1103/1cww-zn61
DOI：https://doi.org/10.1103/1cww-zn61
*：責任著者

研究助成

研究費名：科学研究費 基盤研究（B）
課題番号：25K01862
研究課題名：光誘起イプシロンニアゼロ物性の解明による物質設計
研究代表者名（所属機関名）：賈　軍軍（早稲田大学）

二次元材料MXeneの電池反応を“その場”で可視化

概要

一般財団法人ファインセラミックスセンター（JFCC）の野村優貴博士、山本和生博士、平山司博士と早稲田大学の藤田真輝氏（研究当時：博士前期課程2年）、川合航右研究院講師（現在：東北大学）、大久保將史教授らの研究グループは共同で、全固体リチウム電池^※1材料として注目される二次元材料MXene（マキシン）^※2について、充放電動作中に生じる電池反応を電子顕微鏡を用いてその場観察^※3することに成功しました。
MXeneは、原子数層の厚さの“シート状”の材料で、高い電気伝導性とイオンの出入りしやすさから、次世代電池への応用が期待されています。しかし、実際に電池として動作している際に、MXeneの中でリチウムイオンがどのように動き、どのような電気化学反応が起こっているのかは、これまで詳しく分かっていませんでした。本研究では、早稲田大学が開発したMXeneに、JFCCが開発したその場走査透過電子顕微鏡法（STEM）^※4と電子エネルギー損失分光法（EELS）^※5を組み合わせることで、全固体電池の充放電中に、MXene内部で起こるリチウムの出入りや電気化学反応をナノメートルスケールでその場観察することに成功しました。
その結果、MXene内では、①層間にリチウムイオンが出入りする反応、②表面で酸化リチウムが生成・分解する反応、③固体電解質^※6が分解する反応、という3つの異なる反応が同時に進行していることが明らかになりました。さらに、MXeneのナノシート表面に存在する酸素などの末端基^※7の違いによって、リチウムイオンの動きや反応の進み方が大きく変化することも示されました。本成果は、MXeneを用いた高容量・高耐久な全固体電池の設計指針を与えるものであり、次世代二次電池開発に向けた重要な知見となります。
本成果は2026年1月19日にWiley社発行の国際学術誌「Small」に掲載されました。

現状と課題

電気自動車や再生可能エネルギーの普及にともない、二次電池には「高容量」「長寿命」「高安全」の実現が求められています。特に、電解液を使わない全固体リチウム電池は、安全性の高い次世代電池として注目されています。MXeneは、金属炭化物や窒化物からなる二次元材料で、薄いナノシートが多層に積層した構造です。この独特な構造により、イオンが出入りしやすく、高い蓄電性能が期待されています。しかし、電池として動作している最中に、MXeneの内部でどのような反応が生じているかは、これまで直接観察することが困難でした。

研究手法

一般財団法人ファインセラミックスセンター（JFCC）の野村優貴博士、山本和生博士、平山司博士と早稲田大学の藤田真輝氏（研究当時：博士前期課程2年）、川合航右研究院講師（現在：東北大学）、大久保將史教授らの研究グループは、MXene（Ti3C2Tx）を電極に用いた全固体リチウム電池を電子顕微鏡内で充放電しながらその場観察する独自の研究手法を開発しました。走査透過電子顕微鏡法（Scanning Transmission Electron Microscopy：STEM）と電子エネルギー損失分光法（Electron Energy-Loss Spectroscopy：EELS）を用いることで、リチウムの移動や酸素、チタンの電子状態の変化を同時に解析しました。これにより、「電池が実際に動いている状態」での反応を、動画として追跡することに成功しました。

研究成果

研究により、MXene電極で起こる反応の全体像が明らかになりました。主な発見は以下の通りです。

1. MXeneのナノシート層間にリチウムイオンが出入りする様子を直接観察（図1）

MXeneでは、充放電にともなって、ナノシートのすき間にリチウムイオンが可逆的に挿入・脱離する様子が観察されました。この反応にともない、材料中のチタンの電子状態が可逆的に変化することが確認され、MXene層間へのリチウムイオンの挿入・脱離が電池反応に寄与していることが分かりました。

2. 表面で起こる酸化物生成が不可逆容量^※8の要因

MXene表面では、リチウムと酸素が反応して酸化リチウムが生成・分解する様子も観察されました。この反応は完全に可逆的ではなく、電池の不可逆容量の要因であることが示されました。

3. 固体電解質が電極表面で分解する様子を直接観察

MXene電極だけでなく、界面近傍の固体電解質も充放電中に還元分解していることが明らかになりました。この分解反応により、MXeneと固体電解質の境界部分にリチウム過剰な反応生成物が形成され、電池の不可逆容量の要因となっていることが分かりました。

4. ナノシート表面の末端基が電池性能を左右

MXeneのナノシート表面に存在する酸素などの末端基の種類によって、リチウムの動きや反応の進み方が変化することが明らかになりました。特に、酸素終端を多く持つMXeneでは、リチウムを貯蔵しやすくなる一方で、酸化リチウムの生成が進みやすいという利点と課題の両方が存在することが示されました。

今後の展開

本研究で得られた「MXene内部と表面で同時に起こる複数の反応」の理解は、MXeneを用いた電池材料設計において重要な指針となります。今後は、構造と表面官能基を制御することで、容量と耐久性を両立したMXene電極の開発が期待されます。

論文情報

本成果は2026年1月19日にWiley社発行の国際学術誌「Small」に掲載されました。
タイトル：Real-Time Imaging of Intercalation–Conversion Li Storage in MXenes for Solid-State Batteries
著者：Yuki Nomura^1,* Kosuke Kawai², Masaki Fujita², Kazuo Yamamoto¹, Tsukasa Hirayama¹, Masashi Okubo^2,*
著者所属：1 Japan Fine Ceramics Center, 2 Waseda University, * 責任著者
掲載誌：Small
DOI：10.1002/smll.202513159

研究助成

本研究の一部は、日本学術振興会「科研費」（23H00241, 24H02204, 24K17757, 25K00078）、NEDO「次世代全固体蓄電池材料の評価・基盤技術開発（SOLiD-Next）」（JPNP23005）、文部科学省「データ創出・活用型マテリアル研究開発プロジェクト」（JPMXP1121467561）、（公財）風戸研究奨励会、（公財）岩谷直治記念財団の研究助成の支援を受けて実施されたものです。一部の実験データ取得には、ファインセラミックスセンターが実施した安全保障技術研究推進制度「AI的画像解析によるオペランド電子顕微鏡計測技術に関する研究」（PJ004596）によって導入された設備を使用しました。

用語解説

※１　全固体リチウム電池
液体の電解質ではなく、無機固体の電解質を用いるリチウム電池。電池全体が固体の材料で構成される。

※２　MXene（マキシン）
金属炭化物や窒化物からなる二次元材料。原子数層の薄さのナノシートが積層した構造であり、高い電気伝導性を示す。

※３　その場観察
測定対象が実動環境下でその機能を発現する過程をその場で観察する手法。

※４　走査透過電子顕微鏡法
細く絞った電子線で試料を走査し、散乱された電子を検出器で捉えることで、高い空間分解能で材料の構造を可視化する手法。

※５　電子エネルギー損失分光法
試料と相互作用してエネルギーを損失した電子を計測し、材料の組成・電子状態を解析する手法。透過電子顕微鏡を用いた分析手法の一つ。

※６　固体電解質
液体の代わりに固体中でイオンを伝導させる無機材料。

※７　末端基
MXeneのナノシートの表面に結合した酸素やフッ素、塩素などの官能基。

※８　不可逆容量
電池の初回充電などで一度失われ、その後の充放電では回復しない容量。電極や電解質の分解、副反応によってリチウムが消費されることで生じ、電池の実質的な容量低下の原因となる。

高性能高耐久性燃料電池を可能とする電解質膜を開発
～フッ素を全く含まない高分子複合膜でPFAS規制にも対応～

発表のポイント

• スルホン酸基、フェニレン基、脂肪族基の組み合わせと組成を最適化したフッ素を全く含まない高分子電解質の開発に成功した。
• 高分子電解質と多孔性ポリエチレン基材を組み合わせて作製した複合電解質膜は、80～120℃の温度範囲で3～0.7S/cmという高プロトン導電率を達成した。
• 開発した複合電解質膜を用いた燃料電池は、120℃、30%相対湿度の条件において、市販のフッ素系電解質膜を凌駕する性能（>150mW/cm²）と耐久性（>100,000サイクル）を達成した。
• 電気自動車（特に、トラックなどのヘビーデューティービークル）や家庭用の燃料電池用電解質膜としての応用が期待できる。

山梨大学クリーンエネルギー研究センター／水素・燃料電池ナノ材料研究センター・早稲田大学理工学術院の宮武 健治（みやたけ けんじ）教授、信州大学社会実装研究クラスター 繊維科学研究所の金 翼水（きむ いくす）卓越教授、山梨大学クリーンエネルギー研究センターのLiu Fanghua（りゅう ふぁんふぁ）研究助教（元早稲田大学ナノ・ライフ創新研究機構次席研究員）の研究グループは、水素と酸素を用いて発電する固体高分子形燃料電池（PEFC）^※1の性能と耐久性を大幅に向上させる新たなプロトン導電性電解質膜^※2の開発に成功しました。この電解質膜は、親水部構造としてスルホン酸基を持つフェニレン基、疎水部構造としてベンゼン環が5つ連結したキンケフェニレン基と脂肪族基の3成分からなる高分子電解質と、補強材として多孔性のポリエチレン基材を組み合わせた複合膜で、高いプロトン導電率、大きな伸び率、優れたガスバリア性を併せ持ち、高温（120℃）での高性能な燃料電池発電と、過酷な加速劣化試験で100,000サイクル以上の耐久性を達成しました。
高分子電解質およびポリエチレン（PE）いずれにもフッ素が全く含まれないことから、人体や環境に対する悪影響が懸念されているPFAS^※3にも該当することが無く、次世代の固体高分子形燃料電池用の電解質膜として大変有望な新材料です。低炭素社会の早期実現にも大きく貢献しうる技術として、早期実用化が期待されます。
本研究成果は、2026年2月3日にドイツ化学会が発行する学術雑誌『Advanced Materials』の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

プロトン導電性高分子を電解質膜として用いるPEFCは、常温から80℃程度の温度で発電することができるので使いやすく、電気自動車や家庭用の電源として商品化されています。これまでのPEFCはフッ素原子と炭素原子を主成分とするフッ素系高分子電解質と、延伸したポリテトラフルオロエチレン（ePTFE）からなる多孔材基材を組み合わせた複合膜が用いられていますが、合成方法が限られており高価であること、ガスバリア性（気体の通しにくさ）が不十分であること、フッ素原子を多く含むことからPFASの一種として人体や環境への長期的な影響が懸念されること、が課題とされています。
これまでにフッ素原子を含まない高分子電解質膜が数多く開発されてきましたが、フッ素系高分子電解質膜に比べてプロトン導電率や化学的安定性が劣っており、PEFC用に適した材料は見つかっておりませんでした。

新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

プロトン導電性を発現するための構造（スルホン酸基を持つフェニレン基）、化学的安定性を発現するための構造（5つのベンゼン環が連結したキンケフェニレン基）、機械的安定性を発現するための脂肪族基に着目し、これら3つの成分を組み合わせた高分子電解質を設計しました。各成分の組成比と脂肪族基の長さを変えた一連の高分子電解質を合成し、それらが電解質物性に及ぼす効果を明らかにしました。これにより得られた最適構造をもつ高分子電解質を多孔性のポリエチレン基材と複合させることにより、従来までの非フッ素系高分子電解質膜や市販のフッ素系高分子電解質膜と比べても優れた性能を達成することができました。

今回、新しく開発した手法

三成分からなる高分子電解質の物性は、その組成に加えて脂肪族基の長さによっても大きく変化することを見出しました。今回検討したなかでは、炭素数が12のドデシル基が疎水部の中で67mol%含まれる時（スルホフェニレン基：ドデシル基：キンケフェニレン基＝15.5:2:1）に高分子量体（重量平均分子量が141,500）として得られ、エタノールなどの低級アルコールにも可溶でした。この高分子電解質を膜厚が7μm、空隙率が44％のPE基材と組み合わせたところ、高分子電解質が均一に含浸した複合膜（SP-PAC12-QP-PE7）を得ることができました。この複合膜は80～120℃の温度範囲において優れたプロトン導電特性を示し、フッ素系電解質膜と同等の性能でありました。また、80℃、60%RH条件下における破断伸びは300%を超えており、薄膜でありながら伸縮性にも富んでいます。複合電解質膜の両面に電極触媒層を塗布して燃料電池特性を測定したところ、フッ素系電解質複合膜に比べて水素透過率は1/4程度でありガスバリア性に優れていました。また、プロトン導電率と同じ温度範囲で優れた発電特性が得られること、開回路条件（電流を流さない条件）で乾燥と湿潤を繰り返す加速劣化試験では100,000サイクルを超えることを実証しました。この耐久性はフッ素系電解質複合膜の1.3倍であり、フッ素を全く含まない材料では異例の安定性を確認出来ました。

研究の波及効果や社会的影響

市販されているGore SelectやNafionなどのフッ素系高分子電解質は優れた耐久性を持ちますが、その優れた物性はフッ素原子が共有結合で炭素原子に結合した高分子構造に由来します。フッ素原子を含まない高分子電解質は構造の自由度が高く合成方法も多様であるため、非常に多くの材料が提案されていますが、フッ素系高分子電解質にはかなわないと考えられてきました。
本研究で開発したプロトン導電性高分子電解質である構造と組成を最適化したSP-PAC12-QP-4.5 に、PE多孔基材を複合させた電解質膜は、従来の非フッ素系高分子電解質膜が抱えていた欠点を克服し、しかもガスバリア性などの利点も併せ持っています。実用的な運転条件や、今後、商用自動車などのヘビーデューティービークル（タクシー、トラック、バスなど）への応用を想定した高温運転や過酷な劣化試験条件での運転でも優れた発電特性と耐久性を示し、新材料の可能性を実証することができました。
今回の成果は基礎研究であるため小さなセル（電極面積が4.41cm²）でありますが、今後、より大きなセルでの性能確認に加えて、複数のセルを積層したスタックでの検証を関連企業との共同研究で実施する予定であり、実用化に向けた検討を加速して進めます。

今後の課題

本研究で開発したSP-PAC12-QP-4.5の合成には、重合促進剤として0価のニッケル錯体（ビスシクロオクタジエニルニッケル）を用いています。この錯体は重合反応に対する活性が高く、高分子量体の高分子電解質を合成するのに適しているのですが、量産化されておらず試薬ベースでも高価です（1gあたり数千円程度）。この錯体を用いずに重合を促進することによって、低コスト化を進める検討を行っています。これら課題に加えて、量合成や連続製膜などへもチャレンジしていきます。

研究者のコメント

フッ素を含まないプロトン導電性高分子電解質膜のブレークスルー技術として、学術的な意義はもちろん、実用的な観点からも大きな成果であると考えております。3種類の構造を含む三元共重合体は様々な組み合わせが可能であるため、今回とは異なる成分を用いることにより、より多機能な高分子電解質が創出できる可能性があります。PEFCに限らず水素製造のための水電解セルや二次電池、センサーなど、様々な固体電気化学デバイスへの展開に繋げていきたいと思います。

用語解説

※1 固体高分子形燃料電池（PEFC）

PEFCはPolymer Electrolyte Fuel Cellの略称であり、負極と正極で高分子電解質膜を挟み、負極に水素、正極に酸素を供給して電気を発生させる電池。1つのセルでセル電圧（開回路電圧）は1.0V程度であり、実用的には積層（スタック）させて高電圧を得る。

※2 プロトン導電性高分子電解質膜
酸性基を含む高分子から構成され、水素イオン（プロトン）が選択的に透過する薄膜。燃料電池や電解セル、センサーなどの電気化学デバイス用の固体電解質として用いられている。PEFC用の電解質膜は、負極で発生したプロトンを正極に運ぶ役割を担っており、プロトン導電率、ガスバリア性、機械強度、耐久性などの物性が必要とされる。

※3 PFAS

Per- and polyfluoroalkyl substancesの略称であり、アルキル基に複数のフッ素原子が結合した有機フッ素化合物の総称である。人体や環境への長期的な影響が懸念されるため、製造、使用、販売への規制が世界中で検討されている。

論文情報

雑誌名：Advanced Materials
論文名：Universal Fluorine-free Proton Exchange Polymers for High-performance and Durable Fuel Cells Operable under Severe Conditions
執筆者名：Fanghua Liu¹、Kenji Miyatake （宮武 健治）^1,2、Ick Soo Kim³、Ahmed Mohamed Ahmed Mahmoud¹、Vikrant Yadav¹、Fang Xian¹
１：山梨大学クリーンエネルギー研究センター/水素・燃料電池ナノ材料研究センター
２：早稲田大学理工学術院
３：信州大学社会実装研究クラスター 繊維科学研究所
掲載日時：2026年2月3日
掲載URL：https://doi.org/10.1002/adma.202520137
DOI：10.1002/adma.202520137

研究助成

研究費名：文部科学省 科学研究費補助金
研究課題番号：23H02058
研究課題名：全固体空気二次電池の創製：原理実証と有機負極活物質の検討
研究分担者名（所属機関名）：宮武 健治（山梨大学）

研究費名：文部科学省　データ創出・活用型マテリアル研究開発プロジェクト
研究課題番号：JPMXP1122712807
研究課題名：再生可能エネルギー最大導入に向けた電気化学材料研究拠点（DX-GEM）
研究分担者名（所属機関名）：宮武 健治（山梨大学）

2026年1月24日（土）、第5回「日本医科大学・早稲田大学合同シンポジウム～両校の実質的連携を目指した研究交流～」を日本医科大学済生学舎1号館講堂において開催しました。

日本医科大学と早稲田大学との連携は、2009年に締結した包括協定から始まり、実質的な研究連携への合意（2020年）を経て、本学附属校・系属校との高大接続連携に関する協定（2020年）へと発展してきました。2021年度からは、日本医科大学で選抜された3年生を、本学の理工研究室に迎え入れて交流を図る研究配属も実施しており、今年度は3研究室で7名を8週間受け入れました。

シンポジウム冒頭の開会挨拶で、日本医科大学学長の弦間昭彦氏は、本学との連携が、学生・研究者間で着実に進展していることを述べられました。また、日本医科大学には本学の附属校・系属校出身の学生も多数在籍しており、より若い世代の連携基盤が拡大してきているとの実感も得られている中で、今後は、大学院レベルでの関係を深化していきたいとの意欲が表明されました。続く、本学総長の田中愛治の挨拶では、2018年に総長に就任して以来の両校連携の歩みを振り返った上で、さらなる今後の展開についての期待が述べられました。その中で、本学の大学院生が日本医科大学で学ぶ機会の提供の提案、医療経済学や病院経営学といった分野での協力の可能性などについて触れ、医理工連携を通して世界人類に貢献する人材を育成する必要性について語りました。

開会挨拶に続く第一部の研究紹介では、日本医科大学2名、本学2名の研究者が研究紹介を行いました。両校の共同研究の成果や、今後本格的に進める予定の共同研究、シーズ成果などについての発表がなされた後、会場の参加者も含めた活発な質疑応答が展開されました。

• 関根 鉄朗（日本医科大学臨床放射線医学 准教授）
  「Real world dataにおける脳容量解析－日常診療で用いられるCTおよび2D-MRI画像からの簡便な定量解析手法の開発－」
• 大河内 博（早稲田大学理工学術院 教授）
  「マイクロプラスチック大気汚染の実態：健康と気候への新たなリスク」
• 村井 保夫（日本医科大学脳神経外科学分野 大学院教授）
  「本邦における生体内マイクロプラスチック研究の現状と意義」
• 芹田 和則（早稲田大学理工学術院 准教授）
  「テラヘルツ点光源を用いた医用イメージング技術とその応用展開」

第二部では、日本医科大学の学生が早稲田大学における研究配属の成果発表を行い、優秀研究賞１件が選ばれました。

• 梅津 信二郎 研究室配属  3名
• 浜田 道昭 研究室配属 1名
• 岩﨑 清隆 研究室配属 3名

閉会挨拶では、まず本学副総長の須賀晃一から、今後一層開発が進むであろうVRやAIを用いた医療現場、あるいは医療教育の場において、日本医科大学と早稲田大学とが連携した真価が発揮できるのではないかとの期待が述べられました。また、研究配属の成果発表を行った日本医科大学の学生に向けて、自身の専門以外の研究に広く触れることは将来の成長の糧になるため、今回の経験を忘れずにさらに研鑽を積んでほしいとのエールを送りました。続く、日本医科大学大学院医学研究科長の清家正博氏からは、両校の連携研究の実績が出始めているという実感と、今後は成果の社会実装に向けてより一層の連携を進めていきたいとの意欲が語られました。

今後も、日本医科大学と本学は、研究と教育との両輪で連携を推進し、社会に貢献してまいります。

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）

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。

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

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