革新的シミュレーション研究センター
Center for Research on Innovative Simulation Software

研究室紹介

実験、シミュレーション、AIを融合した方法論の実践

物質・材料機能

内殻空孔状態の電子構造(溝口研究室）

燃料電池自動車用高圧水素容器の開発(吉川研究室）ポリカーボネート変形の粗視化粒子モデル解析(梅野研究室）原子分解能TEMその場
荷重負荷試験による局所ひずみ場の解析（栃木研究室）インスリン最高被占軌道の雲状表示(佐藤研究室）新たな統一的な理論・力学体系の構築

データ駆動による鉄鋼組織の理解と特性の予測（井上研究室）確率・量子論的計算科学

剪断流下のガラス形成液体の（古川研究室）
粒子配置

Simulation

Multi Modality

3D Flow

Patient-Specific Data
from Medical Data

CT

SPECT

MRI

Fluorescent

Fluid-Structure Interaction

InterfaceVisualization

回転系の乱流拡散の運動エネルギーの分布(半場研究室）Drug Accumulation

1D Simulation

0D Simulation

3D Simulation

循環器系統合シミュレー
ションシステムの概要(大島研究室）最適制御を施された
壁面上を流れる乱流場(長谷川研究室）

格子ボルツマン法による
建物内外の気流解析(大岡研究室）乱流・統計解析を応用した市街地空間における汚染物質発生源同定(菊本研究室)June 2024

東京大学生産技術研究所

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溝口照康研究室
Fe-311原子と電子の役割を知る➢ 一粒子・二粒子・多粒子計算法による内殻電子励起スペクトル（ELNES/XANES）の精密シミュレーション➢ 機械学習を用いたデータ駆動型界面構造探索
一粒子・二粒子・多粒子計算法による内殻電子励起スペクトル（ELNES/XANES）の精密シミュレーション
一粒子・二粒子・多粒子効果，振動効果，van der Waals力効果のシミュレーション

内殻空孔状態の電子構造

Ground state

Methanol Liquid

Normarized Absorption /a.u.

B

Core-hole@Oxygen 1s

Li2.00Mn03
Li1.50Mn03
Li1.00Mn03

CA

4+640

B645

650
Energy /eV

Li2.00MnO3(Mn 660)
655
4+

Li1.50MnO3(Mn )Normarized Absorption /a.u.

4+

Li1.00MnO3(Mn )CA

Core-hole@Mg 1s
640645650
Energy /eV

655

660

エキシトン効果の定量理解→ リチウムイオン，ナトリウムイオン電池解析を高精度化

T. Miyata et al., Science Adv., 3 (2017) e1701546
H. Katsukura, et al., Sci. Rep., 7 (2017), 16434
H. Ikeno and T. Mizoguchi, Microscopy, 66 (2017) 305.
T. Mizoguchi et al., Ultramicroscopy 180 (2017) 93.
K. Tomita et al., Ultramicroscopy 178 (2017) 105
H. Katsukura et al., Ultramicroscopy 178 (2017) 88
K. Tomita et al., J. Phys. Chem. C 120 (2016) 9036
K. Kubobuchi et al., J. Appl. Phys., 120 (2016) 142125
Y. Matsui et al, Chem. Phys. Lett. 649 (2016) 92
T. Miyata et al., Microscopy 63 (2014) 377
K. Kubobuchi et al., Appl. Phys. Lett., 104 (2014) 053906
Y. Matsui et al., Sci. Rep., 3 (2013) 3503
T. Mizoguchi et al., Micron, 43 (2012) 37
S. Ootsuki et al., Appl. Phys. Lett., 99 (2011) 233109
H. Ikeno et al., J. Phys. Chem. C, 115 (2011) 11871
T. Mizoguchi, et al., Micron, 41 (2010) 695.

ELNESおよびXANESは内殻電子励起スペクトルであり，物質科学の分野で広く利用されている分析手法です．一方でスペクトルを理論計算することはこれまで困難でした．本研究室では一粒子・二粒子・多粒子理論に基づき，スペクトルを定量的に解釈するための手法を開発しております．我々のシミュレーション法を活用することで，電池や触媒，磁性材料や光学材料の解析精度が格段に向上します．

機械学習を用いたデータ駆動型界面構造探索とスペクトル解析
情報科学手法を活用することで，構造決定，構造探索のためのスピードを高速化
人工知能技術を活用することで界面構造を決定するスピードを高速化

転移学習により人工知能が過去の経験を学習

人工知能技術を利用したスペクトル解析

非類似度

階層型クラスタリング＋決定木

資源探索分野における人工知能技術を利用することで界面構造を高速かつ高精度に決定

回帰器
5.0

15.0

20.0

エネルギー /eV10.0様々な分子構造のH2O O-K edge

25.0

第一原理計算により空孔，界面，転位などの格子欠陥の形成挙動とダイナミクスを調べ，網羅的計算により得られた結果を情報科学手法（インフォマティクス）により処理することでHighthrough-put screeningと物質設計を実現することができます．
さらに，人工知能技術とスペクトル計測との融合研究も実施しています．人工知能技術を利用することで専門的な知識を必要とすることなくスペクトルを解釈することが可能になります．

S. Kiyohara et al., J. Phys.: Materials, 2 (2019) 024003
H. Oda et al., J. Phys.: Materials, 2 (2019) 034005
S. Kiyohara et al., Scientific Reports, 8 (2018) 13548
S. Kiyohara and T. Mizoguchi, J. Chem. Phys. 148 (2018) 241741
S. Kiyohara et al., Physica B, 532 (2018) 9.
S. Kikuchi et al., Physica B, 532 (2018) 24-28
H. Oda et al., J. Phys. Soc. Jpn (Letter), 86 (2017) 123601
S. Kiyohara et al., Science Adv. 2 (2016) e1600746.
S. Kiyohara et al., Jpn. J. Appl. Phys. 55 (2016) 045502-1-4.
T. Yamamoto and T. Mizoguchi, Appl. Phys. Lett., 105 (2014) 201604.
H. Yamaguchi et al., Appl. Phys. Lett., 104 (2014) 153904.

June 2024

東京大学生産技術研究所

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井上純哉研究室
鉄鋼材料のプロセス・組織・特性を理解する➢ 鉄鋼複雑組織の空間秩序を自動抽出し自動生成する深層学習モデルの開発➢ PINNポテンシャルの開発と鋼の特異的な変形機構の解明➢ スパースモデリングと冶金学モデルの融合
材料組織の幾何学的特徴量の自動抽出

鉄鋼の構成相を教師なしで自動認識

プロセス条件に対応した鉄鋼組織を自動生成

鉄鋼屋の思考過程を模した深層学習モデル

力学特性を満たす鉄鋼組織像を自動生成

計算材料科学とデータ駆動科学の融合

RCMCMC法による変態挙動の支配的因子の抽出

PINNポテンシャルによる界面すべり現象の再現

Dilatometry curve

Model candidates for ferrite

Parameter sampling<100>
1/2<111>

shear strain
0.00.20(c) ε = 0.80%

ε = 0.808%

ZFerrite
Formation

0.8(a) L enticular grainboundary ferrite(L F)

0.60.4(b) Spherical cap
pillbox ferrite(PF)0.20500YX(d) PF+FSP

pdfsliding

Transformation fraction

1550

600

650

700750(c) L F+FSP

Temperature, ℃

Verification

Ferrite transformation estimation

slidingkinksliding

50µm

50µm

Z

Transformation fraction

0.40.3

ECCI法による転位のその場観察

X

112

exp

50µm

Fitness
Complexity
Evidence

130
105
94

100

0.2

66
0.1

18670

690

710

Temperature, ℃

730

51

42

50

050µm

<100>
1/2<111>

Model selection from model evidence
150

PF
FSP

650

shear strain
0.00.20�

ε = 0.837%
slidingkink�Grain boundary

34
24

11170LF

PFLF+FSPPF+FSPY結晶塑性有限要素法とスパース学習によるDP鋼の力学特性の組織因子の抽出

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栃木栄太研究室

結晶格子欠陥の構造解析による材料物性の理解➢ 透過型電子顕微鏡観察による結晶格子欠陥の構造解析➢ その場透過型電子顕微鏡荷重負荷試験法を用いた結晶格子欠陥の動的挙動観察➢ 原子分解能その場荷重負荷試験システムの開発
結晶格子欠陥の構造解析◆ α-Al2O3中の転位ネットワークと転位コア構造◆ 4H-SiC中の積層欠陥構造の解析

結晶粒界には多彩な転位（線状欠陥）ネットワーク構造が形成されます。粒界方位関係とネットワーク構造の相関は興味深い研究対象です。

◆ α-Al2O3中の転位コアへの異種元素偏析4H-SiCはワイドギャップ半導体として電子デバイス応用が期待されています。
しかし、底面上に様々な面欠陥（積層欠陥）が形成され、電気特性に種々の影響を与えます。本結果は、4H-SiC中に形成された2種類の積層欠陥について解析したもので、それぞれバンドギャップ中に欠陥準位を形成することが明らかとされました。

転位は結晶中の異種元素と強く相互作用することが知られています。本結果はイオン性結晶における転位の異種元素偏析を直接観察したもので、転位の電荷と異種元素のイオン価に依存した偏析挙動が見られています。

その場荷重負荷試験法を用いた格子欠陥の動的挙動観察◆ 変形双晶の消失過程の観察◆ 変形双晶の界面原子構造と界面移動の原子シミュレーション

変形双晶は結晶債材料の代表的な変形モードです。本結果は、その場透過型電子顕微鏡ナノインデンテーション法によりα-Al2O3中の変形双晶の消失過程を捉えたものです。

変形双晶の母相／双晶界面の原子構造を観察した結果、界面にはステップ構造が形成されていることが分かりました。第一原理分子動力学シミュレーションの結果、5つの原子からなる原子グループが協調的に変位することでステップの移動が生じることが示され、この協調的な変位が変形双晶の素過程であることが明らかとりました。

原子分解能その場荷重負荷システムの開発◆ 透過型電子顕微鏡内荷重負荷試験用MEMSデバイス◆ 荷重負荷時の原子像とひずみマップ

実験概要

Load direction

透過型電子顕微鏡によるその場荷重負荷試験は格子欠陥の力学挙動を直接観察するための有効な実験手法ですが、原子レベルの実験は困難でした。当研究室では微小電気機械ステム（MEMS）技術を活用し、原子分解能その場荷重負荷試験システムを開発しています。

本結果は当該実験システムを用いて荷重負荷中に撮影した原子像（SrTiO3）と原子変位に基づいて評価したひずみマップ（εxx, ｘ: 水平方向）を示しています。切欠き部を中心とした引張ひずみが可視化されており、応力集中が生じていることがわかります。

References••••

E. Tochigi, A. Nakamura, N. Shibata, Y. Ikuhara, Crystals 8, 133-1-14 (2018).
E. Tochigi, Y. Kezuka, A. Nakamura, A. Nakamura, N. Shibata, Y. Ikuhara, Nano Lett. 17, 2908 (2017).
E. Tochigi, H. Matsuhata, H. Yamaguchi, T. Sekiguchi, H. Okumura, Y. Ikuhara, Philos. Mag. 97, 657(2017).
E. Tochigi, B. Miao, A. Nakamura, N. Shibata, Y. Ikuhara, Acta Mater. 216, 117137, (2021).

• T. Sato, E. Tochigi, T. Mizoguchi, Y. Ikuhara, H. Fujita, Microelectro. Eng. 164, 43 (2016).
• E. Tochigi, T. Sato, N. Shibata, H. Fujita, Y. Ikuhara, Microsc. Microanal. 25, S2, 770 (2019).
• E. Tochigi, T. Sato, N. Shibata, H. Fujita, Y. Ikuhara, Microsc. Microanal. 26, S2, 1838 (2020).

June 2024

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梅野宜崇研究室
Cw-302

ナノ・マイクロ域の機械物理とマルチスケール解析➢ 電子・原子・分子モデルシミュレーションによるナノ・マイクロスケールの強度および物性解析➢ 粗視化粒子モデルおよび有限要素法シミュレーションによるポリマー材料の破壊メカニズム解明➢ 深層学習を用いたマルチスケールモデリングと疲労メカニズムの解明
固体結晶の変形・破壊の原子レベル解析
(a)

(c)

(b)

(a)3C-SiCのせん断理想強度解析(b)ナノ薄膜変形と破壊の分子動力学解析(c)静水圧+せん断複合応力下の理想強度解析(b)

機械と物理のインタープレイ：ナノ・マルチフィジックスの解明
(b)

(a)

SZI(a)燃料電池電極材料の還元過程についての反応分子動力学シミュレーション(b)カーボンナノチューブの座屈モード変化と座屈誘起
バンドギャップモジュレーションの評価

破壊メカニズム解明のためのマルチスケールモデリング(a)

Triaxial tension(b)

Biaxial tension(a)ポリマー変形・破壊のマルチスケール解析(b)疲労メカニズム解明のための深層学習利用
マルチスケールモデル構築
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吉川暢宏研究室

Be-B04

HPCIによるCFRP製品設計・製造の高度化➢ 炭素繊維強化プラスチック(CFRP)のマルチスケールシミュレーション➢ 樹脂の正確な非線形強度モデル導入による終極強度の的確な予測➢ 熱硬化・熱可塑樹脂の正確な材料モデルに基づく製造プロセスシミュレーション
CFRPのマルチスケールモデリング
ミクロスケール

メゾスケール

マクロスケール✓炭素繊維束：
直交異方性線形弾性体✓樹脂：
等方性非線形粘弾性体
ひずみ速度依存破壊則✓炭素繊維：直交異方性線形弾性体✓樹脂：等方性非線形粘弾性体
ひずみ速度依存破壊則✓CFRP：・ 直交異方性連続体
・ ツースケール解析
による精度向上

ミクロスケール応力解析による熱可塑CFRPの疲労寿命予測
目的：樹脂の疲労試験データからCFRP部材の疲労寿命を予測

一方向強化CFRP試験片の疲労寿命予測

ツースケール解析

Hydrostaticpressure, P [MPa]zy

ミクロスケール応力評価

x(a) 90°s = 20 MPa(b) 60°s = 10 MPa(c) 30°s = 40 MPa

INPSEによる統一評価

CFRP製高圧水素容器のメゾスケール強度評価
目的：正確な強度評価による最適強度設計

容器破裂圧力予測への展開

試験片によるバリデーション

ヘリカル巻き十字型試験片

破壊シミュレーション

ズーミングシミュレーション

破裂試験

熱可塑CFRP成形マルチスケールシミュレーション
目的：低温液化燃料用熱可塑CFRPパイプ設計の高度化
CFRTPの成形後残留ひずみ予測ミクロスケールシミュレーション

Automated Tape Placement成形

成形シミュレーション

成形シミュレーションモデル

ツースケール解析による応力評価

ユニットセルミクロモデル
クリープ解析

ひずみ分布

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長谷川洋介研究室
De-202流れの予測と制御➢ 摩擦抵抗低減のための壁乱流の最適制御➢ 革新的対流伝熱促進のための制御アルゴリズムの開発➢ エネルギー機器高効率化のための３次元複雑形状の決定論的最適化➢ 有限のセンター情報に基づく，乱流及びスカラー場の最尤推定
超撥水面における乱流摩擦抵抗低減

Bhushan et al. 2009

超撥水面の幾何形状

主流方向の溝の上を流れる乱流場の可視化（上：圧力勾配一定，下：流量一定）

壁乱流における伝熱促進と抵抗低減の同時達成
上壁

U=T=1
伝熱

壁面熱流束
制御入力

非制御時

下壁圧損
壁面摩擦

壁面条件 U = T = 0

伝熱を伴う壁乱流場の概念図

制御後の伝熱と圧損の時間発展
最適制御入力分布（赤：吹き出し，青：吸い込み）

エネルギー機器設計のための３次元複雑形状の決定論的最適化
例：熱交換器の形状最適化
流れ

温度一定

計算領域

コスト関数
流動抵抗

伝熱

Jを最小化するよう固体配置を最適化する
有限のセンサー情報に基づく流れとそれに付随するスカラー場の最尤推定
なぜ天気予報は難しいか 〜カオス，非線形〜

倍精度
計算

単精度
計算

実験と数値計算の融合による流れの推定
PIV計測

数値シミュレーション

ポンプ

ハイスピー
ドカメラ

レーザー
計算サーバー（数値計算，データ同化）

ファイルサーバー（PIV解析）低解像度化
人工的ノイズ付与

June 2024

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大島まり研究室
De-505器官・組織・細胞 マルチスケール・マルチフィジックス シミュレーション
概要

医用画像とシミュレーションを組み合わせることにより、臨床現場で必要とされている血行動態を示す情報を提供
Multi Modality：CT, MRI, SPECT, 超音
波流速計などの医用データ
Simulation：０D, 1D, 3Dを組み合わせた
マルチスケール解析、流体構造連成や化学種の輸送を解くマルチフィジックス
シミュレーション

Simulation

Multi Modality

3D FlowCT

Patient-Specific Data
from Medical Data

SPECT

Fluid-Structure Interaction

Fluorescent

MRIInterface

Interface：血行動態の効果的な可視化
システム
V-Modeler

Visualization

Drug Accumulation

1D Simulation

0D Simulation

3D Simulation

マルチスケール・フィジックスシミュレーションの概要

医用画像からの血管およびステントグラフトの３次元形状の経時変化を調査するためのモデリングシステム
0month0.05

7 months

10 months

0.0

Curvature along centerline of stent graft

血管内腔・動脈瘤のセグメンテーション
表面の再構築、中心線抽出

形状パラメータ抽出（長さ、径、曲率、捩れ率）

腹部大動脈瘤内ステントグラフト形状の経時変化の定量化

マルチスケール血流解析

患者固有の脳循環に対する1次元-0次元血流解析プログラム
全身循環の影響を考慮した解析が可能
1次元解析（長さ，太さ）
・ 全身の83本の主要血管をモデル化
・ Lax-Wendroff法を使用
0次元解析（抵抗，コンプライアンス）・ 末梢の細動脈、静脈、心臓をモデル化
・ 4次のRunge-Kutta法を使用
1次元-0次元
全身循環モデルの概念図

1次元-0次元血流解析の3D可視化システムの開発

シミュレーションと深層学習の統合による予測医療

血流シミュレーションの臨床応用に向けた課題解決
医用データやモデルパラメータの不確かさを考慮したデータセットを用いて機械学習を行うことにより、任意の解析条件に対して血流循環を迅速に予測する「代理モデル」を構築• 予測結果のばらつきを確率分布として評価• 一般的なPCでも即時に行えるような，実用性に富む手法開発

June 2024

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大岡龍三研究室

Ce-B08

未来の都市空間設計のための建築・都市の熱・空気環境予測➢ 人体周辺から都市広域までの様々なスケールにおける気候モデルを開発➢ サステナブルな都市の実現に向けた熱・空気環境予測ツールを構築
WRFを用いた極端気象の再現➢ 全球気候モデルにより予測された将来気候を領域気象モデルにより力学的ダウンスケーリングを行う
ことで建築熱負荷計算のための近未来気象データを作成

ヒートアイランド現象解析
2006年台風10号解析
化学反応・粒子の動力学・CFD 連成解析によるストリートキャニオンにおける汚染物質の拡散予測➢ ガスとエアロゾルの化学反応を解析するボックスモデルを数値流体力学と連成し，交通排出による汚染物質の拡散を解析
μg/m 3μg/m 3m -3ストリートキャニオンにおけるNO2の時間質量濃度およびPM10の時間平均数量濃度と質量濃度の分布
格子ボルツマン法による建築風環境の解析➢ 格子ボルツマン法により、複雑かつ大規模な建築と市街地流れ場に関しても高速なLESを解析

Re=500

LBM-LES

Re=5000

FVM-LES

三次元キャビティの解析結果

室内気流の解析結果

SpiresTarget building
Floor roughness

39.375 H

屋外気流の解析結果

9.375 H

物理情報ニューラルネットワーク(PINN)による流れ場の非定常予測➢ 物理ルール埋め込みによる建築室内熱気流環境予測AIモデルの合理化
Groundtruth

Groundtruth

ANNANNPINN

PINN

訓練

0u / u01

予測

0u / u01

June 2024

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菊本英紀研究室
Ce-B08シミュレーションとセンシングを融合した環境解析➢ 建築・都市空間における環境情報の高度化や解析効率化を目的とした研究を行っている。
➢ 主に空気の流れとその質に関して、シミュレーションやセンシング、またそれらを融合した解析技術を開発している。
➢ キーワード：数値流体解析（CFD）, 気象解析, 逆解析, データ・フュージョン, ベイズ推定, 機械学習
空気汚染物質の未知発生源同定

数値流体解析・計測データおよび統計解析（ベイズ推定）を応用した
市街地空間における汚染物質発生源同定
都市の長期環境変化と健康影響の推定

Land use

Surface air temperature

Extreme hot day number

局地客観解析データと観測データを融合した都市環境の分析
都市内気流の迅速かつ高空間解像度な分布推定

物理モデル・センシングデータと機械学習モデルによる市街地気流の分布推定

June 2024

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半場藤弘研究室
Bw-505

乱流の物理とモデリング➢ 乱流の非局所輸送の解析とモデリング➢ 回転・旋回流の数値シミュレーション➢ 電磁流体乱流の物理とモデリング
乱流の非局所輸送の解析とモデリング
チャネル乱流における非局所輸送の解析

スケール空間エネルギー密度に伴う渦構造
左図: 小スケールの渦, 右図: 中スケールの渦条件付き平均で抽出された壁近くの渦構造

回転・旋回流の数値シミュレーション

回転系の乱流拡散の運動エネルギー

回転式の蒸留装置内の流れの数値解析左図: 速度ベクトル, 右図: 流線

電磁流体乱流の物理とモデリング

磁気リコネクションのジェットの電流密度と速度ベクトル
回転球殻の磁場と乱流ヘリシティーの分布

June 2024

東京大学生産技術研究所

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佐藤文俊研究室
教授 佐藤 文俊
助教 平野 敏行

De-501-503

生体分子やナノ分子の革新的なシミュレーション➢ タンパク質などのナノサイズの分子が持つ全ての電子の正準分子軌道が計算できる、世界でも類を見ない量子化学計算ソフトウェア “ProteinDF/QCLO” を開発 (https://proteindf.github.io/)。
➢ DFTに基づく第3世代正準分子軌道法や自動計算システムの研究開発。
➢ 基礎研究のみならず、新規酵素や薬剤、材料設計などの応用研究も行っています。
ProteinDFによるタンパク質全電子計算

金属タンパク質の全電子計算

プロトンチャネルの第一原理MD

各種応用研究

絶縁体材料の電子移動度解析

ヒドロゲナーゼのガスキャビティ構造予測各種教科書
June 2024

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古川 亮研究室
Bw-303

複雑流体の非線形・非平衡現象➢ ガラス・アモルファス物質のスローダイナミクス、非ニュートンレオロジー➢ コロイド、粉体、バクテリア懸濁液における流体力学的相互作用の役割

ガラス・アモルファス物質のスローダイナミクス、非ニュートンレオロジー
過冷却液体、ガラスにおける非局所輸送

ガラス化とスローダイナミクスの起源の探求

2𝑇
lim 𝐶 𝑘, 𝜔 ≅ 2.
𝜔→0𝑘 𝜂 𝑘
緩和特性の抽出（シリカ（strong液体））

𝜌𝑇
𝜂 𝑘 ∼
𝜔0 𝑎 3 𝑘 3

粘性の波数依存性(上)密度拡散係数の波数依存性(左)協同的な密度交換（fragile液体）

上： 剪断流下のフラジャイル液体における有効体積の概念図
右： 有効体積描像に基づく非ニュートンレオロジーの理論予測

剪断下の粒子配置（左：fragile液体、右：シリカ（strong液体））𝝉ො 𝜶 𝒏, 𝑻, 𝜸ሶ

𝒆𝒒= 𝝉𝜶ሶ 𝝉𝜶 , 𝑻𝒏 𝟏 − 𝒄𝒈 𝜸ො

コロイド、粉体、バクテリア懸濁液における流体力学的相互作用の役割← 自己推進性を備えた微生物のミニマルモデルの例
左： pusher型スイマー(大腸菌など)
右： puller型スイマー(クラミドモナスなど)

マクロレオロジー
コロイド懸濁液のゲル化：流体力学的相互作
用なし(左)と流体力学的相互作用あり(右)マイクロレオロジー

剪断下の粉体懸濁液における溶媒散逸の空間相関

粉体懸濁液における力鎖
左： 低剪断率
右： 高剪断率
流体力学的相互作用が引き起こす異常粘性(概念図)

June 2024

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