技 術 戦 略 研 究 セ ン タ ー レ ポ ート

Vol.

自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて

1
2

章 自律分散社会の概要 ………………………………………………… 2

1-1
1-2
1-3
1-4

Society 5.0から自律分散社会へ …………………………………………………… 2
国内におけるデータ利活用事例 …………………………………………………… 3
海外におけるデータ利活用事例 …………………………………………………… 3
データ利活用時の課題（個人データの保護）……………………………………… 4

章 自律分散社会を実現する技術の置かれた状況 …………………… 5

2-1 CPS/IoT 市場規模の予測 …………………………………………………………… 5
2-2 自律分散社会を実現する要素技術の検討状況 ……………………………………… 6
2-3 電源供給技術（「自己発電デバイス」と「マイクロ波給電」）………………………… 8
2-4 「ブロックチェーン」技術 …………………………………………………………… 14

3

章 自律分散社会実現に向けた技術課題 ……………………………… 17

3-1 電源供給技術 ……………………………………………………………………… 17
3-2 ブロックチェーン …………………………………………………………………… 20

4

章 おわりに ……………………………………………………………… 25

T SC とは Technology S trategy Center（ 技 術 戦 略 研 究センター）の 略 称です。

国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構
技術戦略研究センター（ TSC）

39

2021年 2月

技術戦略研究センターレポート

自律分散システム分野の技術戦略策定に向けてたシステムにより、経済発展と社会的課題の解決を両立

1 自律分散社会の概要
章

させる人間中心の社会（Society）である。本社会では様々な情報がクラウドに自動収集され、人工知能（AI：Artificial Intelligence）を駆使したビッグデータ解析で1 -1 Society 5.0 から自律分散社会へ

ヒトに必要な情報を提供し、新たな価値を生み出すことが期待されている（図１）。
一方、近い将来“ヒトの介在なし”にモノが通信を行う

内閣府が掲げるSociety 5.0とは、サイバー空間（仮M2M 社会の到来が予測されている（図 2）。

想空間）とフィジカル空間（現実空間）を高度に融合させ

図1

Society 5.0

出所：内閣府の Web サイトより※１（2016）

図2

M2M 通信

出所：IBM 資料（Device Democracy）※２（2015）※ 1 https://www8.cao.go.jp/cstp/society5_0/※ 2 https://www.ibm.com/downloads/cas/Y5ONA8EV

392

技術戦略研究センターレポート

自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて

こちらはデータを安全、かつ自律的にやり取りするネット

1 -3 海外におけるデータ利活用事例

ワークと、長期間駆動できるIoT 機器（長寿命のバッテ
リー）を用いて、今後確実に訪れるであろう「超高齢化社会」と「労働人口不足」に対処していく社会である。本

欧州、特に北欧でパーソナルデータの利活用が活発

レポートでは、このような「クラウド」処理とモノによる「エッで、エストニアの e-Estonia ※５、フィンランドの MyData

ジ」処理を融合し最終的にヒトの幸福を目指す社会を『自政策 ※６等がその代表格である。しかし、1997 年に着手し

律分散社会』、当該社会を構成する一群のデバイスを『自た e-Estonia においても、2000 年に税徴収、2005 年に

律分散機器』と定義し、本社会像実現に向けたアプロー

は選挙に対応したものの最終目標に据えるIndustry 4.0

チを示す。

の実現には至らず、かなり先の目標に位置付けられているのが実態である。

1 -2 国内におけるデータ利活用事例
Society 5.0の実現に向けた取組みは各省庁で行われている。例えば、農水省では IoTを駆使した農家の生産性を高める技術開発が行われており、国交省でも昨今発生頻度が上昇傾向にある異常気象に起因する災害発生をセンシング技術で検知する取組みが存在する（図 3）。

図3

各省庁におけるIoT 利用

出所：
「農業分野における ICT 等の先進技術の活用の推進」（農林水産省 , 2017）※３、及び「ICT、データ活用等における戦略的なインフラメンテ
ナンス等」（国土交通省 , 2018）※４※ 3 https://www.kantei.go.jp/jp/singi/keizaisaisei/miraitoshikaigi/suishinkaigo_dai5/siryou6.pdf※ 4 https://www.kantei.go.jp/jp/singi/keizaisaisei/miraitoshikaigi/suishinkaigo2018/infla/dai2/siryou5.pdf※ 5 https://e-estonia.com/※ 6 https://mydata.org/

339

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自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて

データ利活用時の課題
1 -4（個人データの保護）

他方、上記の法制面ではなく技術的に「データの秘匿性」と「堅牢性」を担保しようという機運も高まっている。
これらを両立させる技術と目されるのがブロックチェーン

このように「データの利活用」が各地で進められる一であり、EU では 2018 年から2020 年にかけて 3.4 億ユー

方、「ビッグデータ」を取り巻く環境は大きな変革期を迎ロを拠出して EUBlockchain の開発・整備を進めていえている。かつては検索履歴等を削除することのできる

る（図 4 ※７）。しかし、現行のブロックチェーンは個人情報「忘れられる権利」が議論されたが、昨今は Facebook

保護の全ての要件を満足させることは難しく、例えば「忘からデータが不正に流出し2016 年のアメリカ大統領選れられる権利」の実装方法は議論の的になっている。その結果に影響を及ぼしたとの懸念が広がり、一握りの企の理由は、ブロックチェーンは万人でデータを共有するこ業がデータを独占支配することの危険性が指摘されだしとが最大の特長のため、後にデータの削除要請があってた。これに呼応するように、欧州では GAFA によるデー

もデータを削除することは至難の業だからである。

タ独占を問題視し、2018 年には GDPR（General Data

以上のように、現時点で安心・安全にデータを活用でProtection Regulation）が施行されるに至った。結果、きる技術は存在せず、新たな指針における「データ利活

EEA（European Economic Area：欧 州 経 済 領 域 ）用」を可能とするデータ流通基盤を整備しようという機運から域外への個人データの移転は原則禁止されることにが高まっている。

なり、データの「オーナーシップ」に配慮する必要が生じ
ている。

図4

EUBlockchain

出所：EU の Web サイトより（2019）※ 7 https://ec.europa.eu/digital-single-market/en/news/eu-blockchain-roundtable-paves-way-europe-lead-blockchain-technologies

39

4

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自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて

自律分散社会を実現する技術章 の置かれた状況

2

2 -1 CPS/IoT 市場規模の予測
2017 年に JEITA（電子情報技術産業協会）が公表

自律分散社会に関連する市場としては、Society 5.0

した CPS/IoT 市場の予測（図 5）によると、当該市場はで 想 定され て いる 情 報 を 利 活 用 す る CPS（Cyber

年率 5.4％で成長し、2030 年にはグローバル市場で 404

Physical System）/IoT 市場があり、本レポートにある兆円になるとされている。最も大きな市場は「家庭・個人」

技術で付加価値を高めることにより、適用範囲の拡大とで、スマートフォン等の後継機が想定されていると思われ市場の獲得を狙うことができると考える。

るが、伸び率では「流通・物流」、「医療・介護」が上回る。当該市場は IoT 機器（センサ）が多用されると予想
され、個人データを扱うためにセキュリティにも細心の注意を払う必要があると考えられるため、実現に向けては安心・安全なデータ流通基盤の整備が鍵になる。

図5

2030年の CPS/IoT 市場規模予測

出所：JEITA の Web サイトより（2019）539

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自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて

2 -2 自律分散社会を実現する要素技術の検討状況

は「大電力」に偏っておりIoT ユースとは相容れない開発が多かった。また、「電池レス」を実現する1mWクラスの発電技術開発も存在したが、目立ったデータ活用ビジ

今後の拡大が期待されるCPS/IoT 市場でより多くのネスが無いためセンサの低コスト化が進まず、それが故に市場を獲得し、1 章に掲げた自律分散社会の実現に近付

センサの普及が進まないという負のサイクルに陥っており、けるには以下の五つの要素技術が重要と考えた。

新たなサポートが必要と考えた。

（a）メンテナンスフリーの機器管理【電源供給技術】

他方、（e）の候補技術である「ブロックチェーン」は暗（b）リアルタイムのデータ処理【通信容量のアップ】号技術を用いて安全にデータを共有しようという技術であ（c）AI の処理能力向上【ハードウェアの向上】

る。堅牢性を担保するため暗号化に「大電力」が必要な（d）AI 処理の妥当性確認【アルゴリズムの品質保証】

ことから現在は仮想通貨としての利用に留まっているもの（e）データの適正取得・保護【セキュリティ】の、（e）セキュリティに活用できる可能性を秘めている。ま

表 1は、これら技術の国内の各省庁、機関における取た、ブロックチェーンプロトコルはオープンソースである一り組みを纏めたものである。
（b）通信容量のアップについ方、その適用領域（アプリケーション）は熾烈な競争領域ては総務省の下で検討が進められており、5G サービスはである。その意味で、ICO（Initial Coin Offering）以

既に商用化が始まっている。また（c）の AI のハード、ソフ

外の有望なユースケースを見出し、安心・安全にデータト開発も同様で、Deep Learningを始めとする技術開を取得・提供する社会基盤を整備することは意義がある

発が各方面から支援されており、今後（d）AI 処理の妥と考える。

当性を検証する取組みも順次着手されると推測される。

以上に鑑み、自律分散社会の実現には（a）から（e）

そのため、改めてこれらをサポートする必要性は低いと考のいずれも重要な技術と考えるが、本レポートでは（a）電えた。

源、（e）セキュリティを重点領域とし、「電源供給技術」、

一方、（a）については大量の IoT センサを普及させる「ブロックチェーン」の置かれた状況を深堀りすることとし場合、全ての用途で電池交換を前提にすることは考えらた。以下、これら技術の現状分析の結果を2-3 項、2-4 項

れず、消費電力に応じた最適な（a）電源供給手段を利に示す。

用すべきである。しかしながら、従来の省エネプロジェクト

39

6

技術戦略研究センターレポート

自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて

表1

各省庁・研究機関等での検討状況
先のボトルネックを解決する
各省庁・機関の取組み

実現ポイントと
現状分析

ギャップ

(a)
メンテナンス
フリーの
機器管理

定期的に電池交換が必要なセンサーが大多数。普及にはこの状況を改善する必要あり。

電源供給技術

IoT 横断 PJ、
未利用熱 PJ（NEDO）

電磁波エネル ワイヤレス電力
ギー回収技術 伝送システムの研究開発 （SIP: 大電力）

En
Ocean

───

(b)
リアルタイムのデータ処理

IoT センサの設置が進めばトラフィックの増大は必須。解決には容量アップ、もしくはエッジ処理が必
要に。

通信容量アップ
エッジ処理

PETRA

5G 総合実証試験

3GPP

Vol.30(c)
AI の処理能力の向上

ビッグデータ処理のため、AI（ハード・ソフト）のハード、ソフトウェア上のブラッシュアップ
工夫が必要。

ISO

Vol.30(d)
AI 処理の妥当性確認

人の介在しない処理に対しては、その透明性が求
められる。

(e)
データの
適正取得・
保護

信頼性・閲覧性に優れ、新産業構造ビ
かつ低廉で万人が容易に堅牢なセキュリティ ジョン、キャッ
データアクセスできるシス （例：ブロックチェーン） シュレスビジ
テム。
ョン

課題

経産省

AI の品質保証

総務省

他省庁

───

数 理・データ
AI チップ・
次世代人工知サイエンス・AI
次世代コンピ 能技術の研究
教育プログラューティング 開発
ム（文科省）

───

7

国際標準

TSC
Foresight

───

───

ISO、
QA4AI

───

───

重要インフラにおけるサイバーセキュリティ（SIP）

ISO

───

39

技術戦略研究センターレポート

自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて電源供給技術（「自己発電デバイス」
2 -3 と「マイクロ波給電」）

対象に特許、論文調査を行った。なお、自己発電デバイ
スの発電方法は、太陽電池、熱電変換、圧電変換、振動発電、電磁波発電等がある（表 2）が、この中の電磁自己発電デバイスは周辺環境のエネルギー、例えば

波発電は電磁波の供給を受けて電力に変換するもので、

光、振動、熱、外力等を電気エネルギーに変換し発電す

本レポートでは「マイクロ波給電技術」に分類している。

るもので、エネルギーハーベスティング技術とも称される。

また、マイクロ波給電の特許調査では、通信技術をエネ

これら種々の自己発電デバイスのうち、今回は本レポート

ルギー供給手段に横展開する可能性が高いことから、この目的に合致する小型（センチメートルオーダ）デバイスをれら通信技術についても調査を行った。

表 2 自己発電デバイスの種類と特徴
熱電発電

圧電変換発電

電磁波（電波）変換発電■ 〜 3.6W/cm※温度差、温度域によっても異なる■ 〜 2µW/cm2 程度■ 〜 12.8µW/cm2（モジュールや使用環境によって異なるが、試作品の出力範囲は上記程度）■ 定 常的な温度差が必要であり、必要に応じて冷却■ 物理的動作がないためメンテレス■ 材料の変形による劣化が欠点■ 構造が容易で小型化が可能■ 変 換時は交流電源となるため、アプリ
ケーションの駆動には直流へ変換が必
要

使用材料■ テルル（Te）系化合物■ アンチモン（Sb）系化合物■ シリコン系化合物 等■ 圧電セラミックス（BaTiO3、PZT、
PbTiO3 等）■ 圧電薄膜（ZnO 等）■ 圧電高分子樹脂■ バッチアンテナ■ 整流ダイオード

使用環境の
制約

■ 温度差が 1℃以上となる熱源が必要（300℃以上は開発品）■ 断続的（周期的）な圧力の発生が必要（定常的な圧力では発電できず）■ 製 品化済み周波数域：500MHz 帯（地デジ放送）の発信源が必要■ 80MHz 帯〜3GHz も開発対象

主な参入
プレイヤー

■ ヤマハ
■ 東芝
■ パナソニック 等■ KELK■ Marlow■ Nextreme■ EnOcean■ PuleSwitch■ 音力発電■ 村田製作所 等■ Powercast Corporation■ 日本電業工作■ ルネサスエレクトロニクス

想定用途■ 産業分野（工場排熱、焼却炉）■ 民生分野（燃料電池コージェネレーション）■ 移動体分野（自動車）■ 床発電■ 照明器具スイッチ■ 通信機器■ センサーネットワーク■ 防災・社会インフラモニタリング■ 屋外照明発電電力（実証実験）特徴

2

音力発電

振動発電（電磁誘導型）

振動発電（静電誘導型）■ 0.13mWh/cm（1日当たり）※二次情報では電力量のみ公開■ 〜 2mW/cm2■ 〜 100µW/cm2

特徴

■ N/A

■ 電気抵抗が小さく、電力を取り出しやすい■ 発 生電力がデバイスの構造により左右される■ 曲 げ応力がかからないため、耐久性に優れる■ 電 磁誘導型と比較すると、電気抵抗が
大きい

使用材料

■ N/A

■ コイル
■ 磁石

■ エレクトレット材料

使用環境の
制約

■ 一定の音波が必要■ 連続した振動が必要■ 連続した振動が必要

主な参入
プレイヤー

■ 音力発電■ University of Florida■ California Institute of Technology■ Perpetuum■ Cypress Semiconductor■ Ferro Solutions■ ミツミ電機■ スター精密■ アマダンド 等■ オムロン■ 東京大学 等

想定用途■ 高速道路の遮音壁■ 携帯電話■ 機器・建物モニタリング■ セキュリティ分野■ 介護福祉分野（見守りセンサー電源）■ スポーツ関連製品■ 自動車用品■ 社会インフラモニタリング■ 輸送機器■ 家電■ 健康機器

発電電力

2

39

8

技術戦略研究センターレポート

自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて（1）特許分析

調査した（期間：2000 年～ 2020 年、ヒット数：3,623 件）。

「自己発電」に係る技術全てを網羅している訳ではな

結果、前回調査 ※９より中国の出願比率が増加したが、日いが、2013 年度の特許庁による特許出願技術動向調査

本は米国と共に一定の出願比率を有していた（図 7）。

（熱電変換技術）に倣い、本技術の出願数を追跡調査

さらに、通信技術（5G）についても2016 年度の特許した（ 期 間：2000 年 ～ 2020 年、ヒット数：21,795 件 ）。

出願技術動向調査（LTE-Advanced 及び 5G に向けた

結果、約 7 年前の調査結果 ※８と変わらず、依然日本は出移動体無線通信システム）※ 10と同様の検索手法で調査

願件数で首位であることが判明した（図 6）。

したところ（期間：2000 年～ 2020 年、ヒット数：133,358

また、同様に2014 年度の特許庁調査（非接触給電関件）、米中からの出願比率が増加した一方、日欧韓の出連技術）に倣い、「マイクロ波給電」の特許出願件数を願は拮抗した状態にあることが判明した（図 8）。

その他, 6.1%
韓国,

日本,

11.0%

26.3%

中国,

19.1%
米国,

欧州,

25.0%

12.5%

図 6 自己発電デバイス（熱電素子）の出願人国籍別特許出願比率
韓国,
7.1%

その他,
3.4%

その他,
1.8%

韓国,

日本,

9.4%

22.9%

中国,

42.9%

日本,

9.8%

米国,

中国,

米国,

34.2%

33.5%

20.4%

欧州,
9.6%

欧州,
4.7%

図 7 マイクロ波給電技術の出願人国籍別特許出願比率

図8

通信技術の出願人国籍別特許出願比率※ 8 https://www.jpo.go.jp/resources/report/gidou-houkoku/tokkyo/document/index/25_thermoelectric.pdf※ 9 https://www.jpo.go.jp/resources/report/gidou-houkoku/tokkyo/document/index/26_18.pdf※ 10	https://www.jpo.go.jp/resources/report/gidou-houkoku/tokkyo/document/index/28_13.pdf

939

技術戦略研究センターレポート

自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて（2）論文分析

図 11に示す。いずれの技術も件数は年々増加し、日本

エネルギーハーベスティング技術の中から①熱電発電、からの報告は①熱電素子、②圧電素子に関しては中国、②圧電発電、③振動発電を取り上げ、2010 年から2019

米国、韓国に続く4 位、③振動発電素子は中国、米国に

年にかけての論文投稿件数を調査した。結果を図 9 から次ぐ 3 位という結果になった。

①熱電変換素子
中国,

その他,

20%

30%

アメリカ,
18%

台湾, 2%
スペイン,
3%
イギリス, 3%韓国, 6%

フランス, 3%ドイツ,
5%インド, 4%

日本, 6%（検索ワード：(thermoelectric* AND generat*) 、ヒット数：5,152 件）

図9

熱電変換デバイスの国籍別論文投稿比率

出所：Web of Science TM の検索結果を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2020）②圧電変換素子
中国,

その他,

20%

28%

イタリア, 2%

アメリカ,
18%

台湾, 3%
フランス, 3%
イギリス, 4%
ドイツ, 4%

韓国, 8%
インド, 5% 日本, 5%（検索ワード：(piezoelectric* AND generat*) 、ヒット数：6,432 件）

図 10

圧電変換デバイスの国籍別論文投稿比率

出所：Web of Science TM の検索結果を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2020）③振動発電素子
中国,
その他,

19%

31%

アメリカ,
17%
カナダ, 3%イタリア, 3%日本, 6%

フランス, 4%
イギリス, 4%韓国, 4% インド, 5%

ドイツ, 5%（検索ワード：((vibration* OR oscillation*) AND generator*) 、ヒット数：18,071 件）

図 11

振動発電デバイスの国籍別論文投稿比率

出所：Web of Science TM の検索結果を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2020）

39

10

技術戦略研究センターレポート

自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて一方、マイクロ波給電についても論文投稿件数を調査に 3GPP（Third Generation Partnership Project）

したところ、近年急速に投稿数が伸びていること、日本の RAN（Radio Access Network）へ提出された CRは中国、米国、韓国に続く4 位であることが判明した（図（Change Request）の中から、カテゴリー：B、C に属12）。さらに、本技術は 5G 等の無線通信技術が横展開する提案件数をカウントした（ヒット数：3,497 件）。結果、されることが多いことから、通信分野における国際標準

図 13に示すとおり日本は欧中米に大きく水を開けられてい化 への貢 献 度を調 査した。具 体 的には、2015 年 以 降る状態であることが分かった。

中国,

その他,

21%

24%

スペイン, 2%
ドイツ, 2%アメリカ,
17%

カナダ, 3%
イギリス, 3%
フランス, 3%イタリア, 4%

日本, 9%

韓国, 11%（ 検 索 ワ ード： ((microwave OR millimeter-wave OR electromagnetic) AND( (wireless orcontactless or contact-less or noncontact) AND ( (power-trans* OR power-supply OR
power-receiv* or power-charg*) OR (energy-trans* or energy-supply OR energy-receiv*
OR energy-charG*) ) ) 、ヒット数 935 件）

図 12 マイクロ波給電技術の国籍別論文投稿比率

出所：Web of Science TM の検索結果を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2020）韓国, 2.8%

その他, 4.6%

日本, 5.3%

米国,

中国,

20.2%

24.8%

欧州,

42.2%

図 13

CR が複数社から提出されている場合、各社の貢献度は等しいとみなして合算。

3GPP に提出された CR（2015年以降でカテゴリ：B、C のみ）の国籍別件数比率

1139

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自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて（3）標準化・諸外国の研究開発動向的なユースケース（通信距離、速度）毎に通信方式の選

関連する国際標準・規格には、IoT 機器に適用される択がなされ、その駆動に必要な電源供給手段が選ばれ通信規格（EnOcean、ZigBee、Bluetooth 等）が存在ることになる。以上の理由から統一的な規格は存在しなする。これら規格は想定される通信距離・速度・頻度等

いものの、表 3にこれら通信規格の諸元をまとめた。

が個々に異なり、必要となる電力も違う。そのため、具体表3

各種 IoT 通信方式の諸元

出所：NEDO 委託調査事業「IoT 機器のエネルギー供給・履歴システムに関する調査報告書」（2019）※ 11※ 11	https://www.nedo.go.jp/library/database_index.html

39

12

技術戦略研究センターレポート

自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて一方、日本のマイクロ波給電の開発着手は早く、既にず浴びる電磁波の影響調査等を優先して検討が進めら

SIP（戦略的イノベーション創造プログラム）「脱炭素社会れているようである。これら対策を行った後、免許制を採実現のためのエネルギーシステム」で研究開発が始まっ

用してのマイクロ波給電の商用化が検討されている。

ている。図 14に記載のとおり、2020 年度を目標に屋内でなお、海 外で検 討されている注目す べき技 術としてのマイクロ波給電の法制化が検討されているところであ

Ossia（米国）の Cota がある。WiFiと同じ2.4GHz の電る。現在のところ、給電には920MHz、2.4GHz、5.7GHz

波を用い、屋内での使用に限定し壁面反射を有効利用しの 3 波長帯が用いられる予定で、送電アンテナの出力はながらスマートフォン等に電力を供給する技術であり（図数十 W の見込みである。このように出力が 1Wを超える

15）、通信で培われた無線技術を横展開する形で技術ため、安全性を確保する技術（送電経路に障害物（人）開発が進められている。

が侵入した場合に検知し、送電を止める等）や、意図せ

図 14

実用化に向けたロードマップ（ブロードバンドワイヤレスフォーラム資料）

図 15

Cota による電力伝送

出所：NEDO 委託調査事業「IoT 機器のエネルギー供給・履歴システムに関する調査報告書」（2019）

出所：NEDO 委託調査事業「IoT 機器のエネルギー供給・履歴システムに関する調査報告書」（2019）

13

39

技術戦略研究センターレポート

自律分散システム分野の技術戦略策定に向けてされていると考えられるが、2018 年の調査ではこれらが出

2 -4 「ブロックチェーン」技術

願公開されていないため反映されていない可能性が高い点に注意が必要である。しかし、ビジネス寄りの電子決済（1）特許分析を含めると米中の出願が突出しており（図 16 左円グラフ）、

特許庁による、「平成 30 年度 特許出願技術動向調査

ブロックチェーンのスマートコントラクト機能に限っても、米中

報告書 仮想通貨・電子マネーによる決済システム」（以の他、欧州からも一定数の出願がなされていた（図 16 右下、「特許庁による特許出願技術動向調査」）

円グラフ）が、いずれにおいても日本は大きく出遅れている

※ 12

の結果

ことが判明している。

を図 16に示す。なお、本 技 術は 2018 年 1月に起こったNEM の不正流出事件を契機に多数の関連特許が出願

電子決済を含むランキング

スマートコントラクトに関するランキング

図 16 ブロックチェーンの出願人国籍別特許出願件数

出所：特許庁による特許出願技術動向調査（詳細版）より（2019）※ 12	https://www.jpo.go.jp/resources/report/gidou-houkoku/tokkyo/index.html

39

14

技術戦略研究センターレポート

自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて（2）論文分析いる。一方、スマートコントラクトは欧州が最多で、次いで論文は中国が最多で、米国以上に欧州からの報告が米・中という結果になっている（図 17 右円グラフ）。1 章で多いことが特徴である。また、「その他」地域からの報告も述べた GDPRとの関係で、欧州において精力的に研究

多く（図 17 左円グラフ）、インド（180 件）、インドネシア（47が進められているためではないかと考える。

件）、台湾（46 件）等のアジア諸国から盛んに報告されて電子決済を含むランキング

スマートコントラクトに関するランキング

図 17 ブロックチェーンの国籍別論文発表件数

出所：特許庁による特許出願技術動向調査（詳細版）より（2019）1539

技術戦略研究センターレポート

自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて（3）標準化・諸外国の研究開発動向

以 上のように現 在は少々乱 立 気 味で、米 国 Rocky

2016 年、ブロックチェーン技 術の国 際 標 準 化を目指Mountain Institute が 中 心となってコンソーシアム

す機関（ISO/TC3 0 7 Blockchain and Electronic（EWF：Energy Web Foundation）を作り、エネルギー

Distributed Ledger Technologies）が組織され、議業界におけるブロックチェーンの利活用を図る動きも見ら論が始まっている。しかし、議論を円滑に進めるための「用れる。今後、このような合従連衡を繰り返しながらブロック

語の定義」に時間を要す等、策定には時間を要すと考えチェーンの社会実装が進んでいくと予想される。

られている。また、ブロックチェーンを使うPoC（Proof ofConcept）が国内外で進められており、特にデータと同じ「無対物」である電力への適用事例が多い。これら事例
を表 4に示した。

表4

電力取引プラットフォームへのブロックチェーン適用検討例

出所：NEDO 委託調査事業「IoT 機器のエネルギー供給・履歴システムに関する調査報告書」（2019）

39

16

技術戦略研究センターレポート

自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて

自律分散社会実現に向けた
章 技術課題3

電、熱電変換等に絞られる。表 5には各発電方法での発3 -1 電源供給技術の自由度が高い。また、従来から僅かな温度差（数度）

電電力密度の最大値を示す。
熱電変換技術は他の方式と比較してエネルギー獲得を利用する熱電変換素子の応用事例が少なかったこともあり、以降は当該技術を中心に開発状況を説明する。

自律分散社会の実現に向けては、十分なデータを取得

表 5 日常環境下でのエネルギー源と最高発電電力密度するためセンサを増やすことが重要になる。そして、今後訪れるであろう大量のセンサ敷設（トリリオンセンサ）に対し、電池以外の電源供給手段を検討しておくことは非常エネルギー源

発電電力密度

環境光（直射日光）

1W/cm2振動（0.1 〜 1G）に重要と考える。また、“ばら撒き”型を基本とするIoT セ

環境光（室内）ンサに対しては、耐環境性能も考慮する必要がある。こ熱（温度差 5℃）

電磁波（WiFi 等）のような電池レスの電源供給手段と考えられる「自己発電10-3 W/cm2
10 W/cm-4

2

10 W/cm-52

10-6 W/cm2

使用環境
自由度
低
中
中
中
高

デバイス」と「マイクロ波給電」を取り上げる。
②熱電変換素子の性能向上（1）自己発電デバイス

従来は発電性能を向上させるための材料開発や、素①自己発電方法の選択

子構造の工夫等が開発の主流であった。前者の性能

本レポートでは、いわゆるIoT センサの駆動に十分な向上事例には、Si 系材料に Ge ナノ粒子を添加し、フォノ

出力の環境発電技術を対象とし、特定の発電技術に限ンのみを散乱させて熱電変換効率を向上させた事例が定しない。しかし、主要な技術は 2 章に示した、振動発

あった（図 18）。

図 18

材料の工夫による熱電変換効率の向上事例

出所：大阪大学の Web サイト※ 13 より（2015）※ 13	http://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2015/20151005_1

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技術戦略研究センターレポート

自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて一方、素子構造の改良ではセラミックコンデンサーの製造プロセスを改良し、積層構造の形成を容易にして高い
出力密度を実現した事例がある（図 19）。

図 19積層構造による出力密度の向上事例

出所：村田製作所の Web サイト※ 14 より（2014）（a）については、通常とはかけ離れた環境で発電をす③周辺技術の進展
また、最近は発電回りだけなく、昇圧回路や電源 IC

るのではなく、設置環境で如何にして IoT センサの駆動等、微小な電力を有効利用するための周辺技術が大きくに十分な電力を賄うかが鍵と考えるからである。この点、進展している。例えば SOTB（Silicon-on-Thin-Buried

熱電変換素子で言えば常温環境下（微小温度差）で発Oxide）を用いたコントローラにより、低アクティブ電 流

電効率を上げる技術も重要で、これまではビスマス系材（20nA）と低スタンバイ電流（150nA）を両立させた事料の利用が一般的であった。しかし、本材料は（b）の観例がある。さらに、無線通信に要する電力もBluetooth

点で好ましいとは言えない。環境に悪影響を及ぼさないの低消費電力モードやパッシブ WiFi 等の普及により大き設計になっていないためである。さらに言えば、故障時にく低下している。以上のとおり、着実ではあるが僅かずつはその旨発信し、必要に応じて IoT 機器を回収できるようしか改善されてこなかった電源供給能力に対し、通信ににしておくことが相応しい。
（a）、（b）を両立させた開発

要する周辺回路の省電力化は目覚ましく、昨今その差は事例は少なく、物質・材料研究機構（NIMS）で行われ縮まりつつある。

ている、第一原理計算に基づくバンド・フォノン計算と放射光構造解析を相補的に組み合わせた「ありふれた元素」からなる新規材料の探索とその実用化研究が見られ④技術開発の方向性る程度である。

このような状況下、IoT センサの更なる普及拡大を図る

ここでは熱電変換素子を中心に説明したが、
（a）、
（b）

ためには次の技術の開発が重要と考える。
（a）よりマイルドな環境での発電性能の向上

は大量のセンサ設置を行う場合の重要な視点で、いずれ（b）環境配慮設計の発電方式でも両立させるべき課題と考える。

※ 14	https://www.murata.com/ja-jp/about/newsroom/techmag/metamorphosis19/paper/02

39

18

技術戦略研究センターレポート

自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて（2）マイクロ波給電

一方、現在のスマートフォン等では極近距離（数センチ

マイクロ波を使った電 力伝 送のアイデアは、当初はメートル）の無線給電が実用化されているが、比較的長宇 宙 太 陽 光 発 電 への検 討が先 行していた。地 表からい距離（数メートル）の電力輸送も検討が始まっている。

36,000km 上空の静止軌道上の太陽光発電衛星（SPS：

ここでは電力ロスを抑えるためにフェーズドアレイ状のアンSpace Solar Power Station/Satellite）ならば、夜間テナを採用し、ビームフォーミングによりロスを低減しようとや雲の影響を受けることなく発電することができるからでいう取組みも見うけられる（図 21）。

ある。SPS は長距離電力を輸送するため直進性の高い電波（5.8GHz）を用い、約 2km 四方の巨大なアンテナの利用を想定して研究が進められてきた（図 20）。

図 20

宇宙太陽光発電の送電・受電用装置（実験）

出所：三菱重工業の Web サイトより（2019）

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TOSHIBA CORPORATION,All Rights Reserved.

図 21

MIMO（Multiple Input Multiple Output）を用いた電力伝送のイメージ

出所：東芝の Web サイトより（2018）※ 15※ 15	東芝 研究開発センター「産業 IoT 応用を目指したマイクロ波遠隔給電技術を開発」（2018）
http://www.toshiba.co.jp/rdc/detail/1803_02.htm

1939

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自律分散システム分野の技術戦略策定に向けてしかし、マイクロ波による電力輸送には根本的な課題

3 -2 ブロックチェーンがある。例えば WiFiと同じ周波数（2.4GHz）を利用す
る場合、通信に悪影響を及ぼしてしまうためである。一般（1）ブロックチェーンの特長に電力輸送のパワーは通信よりも数桁高く、同一の周波数帯で通信と給電は両立しない。ところが、IoT 機器は（改竄耐性とスマートコントラクト）

データ通信することが当然の機能のため、そのままではブロックチェーンの課題に入る前に、簡単にその特長

異なる周波数のアンテナを同居させねばならなくなる。一について触れる。本技術の最大の特長は「改竄耐性」

方、IoT 機器にはダウンサイズが求められることから、解にあり、Bitcoinを例にとると、千件の取引（トランザクショ

決するには時分割方式を採用する等、両者のタイミングをン）と前のブロックのハッシュ値を足し合わせて新たなハッ

ずらすといった工夫が必要になってくる。以上のような実シュ値を計算する際、そこにある文字列（これを「ノンス」

用化に向けた課題が数多くあり、2-3-（ 3）に記載した電と呼ぶ）を足し合わせて、例えば上十桁に「0」が並ぶよ

波の誤爆を検知・回避する手段等と共に検討が進めら

うにノンスを見つけるというパズルが課されている。このパれている。

ズルを解く作業を「マイニング」と呼ぶが、これは数学的に非常に難解な作業で、容易にノンスを見つけることができない。また、仮に当該ブロックの改竄に成功しても、その後のブロックのハッシュ値を変更する必要が生じ、影響が全てのブロックに波及する。このような理由で現実には対処不能となり、改竄耐性が保証される（図 22）。

ブロック
ノンス

ブロック

ハッシュ値

ノンス

ハッシュ値

ノンス

トランザクション

トランザクションチェーン

出所：各種公開資料を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2019）

20

ハッシュ値

トランザクションチェーン

図 22 ブロック（トランザクション）のチェーン化

39

ブロック

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自律分散システム分野の技術戦略策定に向けてもう一つの特長として「スマートコントラクト」がある。これは、プロトコルにプログラムを内包させることができる機
能で、通信を介して機器どうしをチューリングマシンのように振る舞わせることが可能となる（図 23）。つまり、本機
能で通信の際に条件分岐を行えば、所望の条件に合致する場合のみ契約を履行し、金銭の授受も自動的に処理できるようになる。

図 23 スマートコントラクトによる自律分散社会

21

39

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自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて（2）データの分散共有を暗号化しネットワーク上に保存する。その後は当該デーブロックチェーンはデータをチェーン状にしてネットワー

タの復号手段（「秘密鍵」）を知るアリスのみがデータをク上に保存するが、例えば Bitcoin の「ウォレット」には復号できるため、安全にデータを送受信することが可能で当該データは存在しない。ここには自らのデータへアクセある。

スする「秘密鍵」が存在するだけである。安全なデータ

上 記 機 能を利 用した IPFS（Inter-Planetary Fileのやり取りには図 24に示す公 開 鍵 基 盤（PKI：Public

System）と呼ばれるファイル共有手段は、「オーナーシッKey Infrastructure）を用いることが一般的で、ボブはプの問題」を解決可能と注目されている技術で、2017 年

自らの「秘密鍵」を知っているため暗号化したデータにアには Filecoinとして ICO が行われ、過去二番目に多い

クセスできるが、アリスはこれを知らないためデータを盗み

約 2 億ドルを集めた技術である。しかし、PKIを導入する

見ることができないという仕組みを利用する。また、ボブが際は IoT 機器の処理能力を勘案したシステム設計にする

アリスにデータを送る場合は、アリスの「公開鍵」でデータ必要があり、全てに適用できるというわけではない。

図 24

公開鍵基盤（PKI）を用いた分散台帳

出所：技術評論社の Web サイト※ 16 より（2019）※ 16	https://gihyo.jp/book/pickup/2018/0059

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自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて（3）真正性の確保・インターオペラビリティ①真正性の確保

仮 想 通 貨でブロックチェーンは大 成 功を収めたが、ブロックチェーンを使えばデータの改竄耐性は向上する

IPFS の特長を活かした「データ流通」ビジネスは顕在化

が、そもそも共有されるデータが正しいかどうか（真正性）

していない。この実現に向けては、まず IoT 機器からデーを担保することはできない。誤りなくシステムにデータを吸タを正しく取り出す手法を構築することも重要である。そい上げることをOraclize サービス（改竄無くデータをアッ

して、IoT 機器の仕様は様々であることから、プロトコル

プロードするサービス：図 25 参照）と呼ぶが、常にヒトがを統一し得ないことを前提にした、自律的にデータをやり監視することが不可能な IoT 機器からデータを取得する

取りするシステムを構築することが重要である。これら二自律分散社会においては、悪意ある第三者の存在をも前点について、以下に詳述する。

提にした真正性の担保手段が必要になる。

図 25

Oraclize サービス

23

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技術戦略研究センターレポート

自律分散システム分野の技術戦略策定に向けてさらに言えば、図 26に示すように両者でコンセンサスア②インターオペラビリティ（相互運用性）
IPFS などのファイル共有システムでは、データを分散

ルゴリズムが違う場合、一方でトランザクションが承認され共有するブロックチェーンとそのアクセス権（秘密鍵）をても、もう一方の承認を待たないと取引が完了しない。こ管理するシステムの二種類を協働させるのが一般的であれでは早期の決済を行えず、改竄の危険性が増す等のる。そのため両者を相互運用する必要が生じるが、両者問題点が指摘されている。

でプロトコルが異なる場合は容易な作業ではない。例えば BitcoinとEthereumとを相互運用する場合、前者にスマートコントラクト機能は無いが後者には実装されている。そのため、Ethereum に記述されたスマートコントラク
トをどのようにして Bitcoin に引き継ぐかを検討しておく必
要がある。

図 26

相互運用性の概念図

3924

技術戦略研究センターレポート

自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて数のシステムを運用する場合は、データの「真正性」に4 おわりに章まで留意した悪意の第三者に耐えうるシステムにする必要がある。
なお、上記要件はそれぞれ単独に存在するのではな

自律 分 散 社 会 実 現の要 素 技 術として「 電 源 供 給 技

く、「自律分散社会」構築には共に連関していると捉える術」、「ブロックチェーン」を取り上げ、以下の技術課題をべきである。その理由は、一つはブロックチェーンのレイ示した。

ヤ構造（図 27）が Layer1.5より下位が個々のプロトコル①
「自己発電」デバイスの開発においては、通常とかけに係る領域で、最上位レイヤ（Layer3.0）は具体的なア

離れた環境ではなく「よりマイルドな環境」での発電性

プリケーションと位置づけられており、プロトコルの影響が能を向上させることを優先し、かつデバイスが放置され「川上」から「川下」にまで及んでいるためである。つまることを念頭に置いた「耐環境性能」に注意を払う必り、ユースケースがプロトコル（合意形成方法等）を規定

要がある。

したり、逆にプロトコルがユースケースの拡大適用を阻む②
「マイクロ波給電」の開発においては無線通信技術と可能性があるということである。ブロックチェーンにはこのの両立と、人体に悪影響を及ぼさない給電方式を確立

ような制約があり、場合によっては「オフチェーン」等でスする必要がある。

ケーラビリティ（Layer2.0、Layer2.5）を向上させる必要が生ずる。このようにユースケース毎に最適なプロトコ③
「ブロックチェーン」技術の開発では、IoT 機器のプロトルを選択する必要がある点に留意すべきである。

コルは同じではないことを前提にインターオペラビリティを確保する工夫が必要である。そして、IPFS 等の複

Layer 3.0: Decentralized
Application (DApps)
Layer 2.5: Basement DApps（技術：インターオペラビリティ）
Layer 2.0: Data Scaling（技術：オフチェーン）
Layer 1.5:
Virtual Machine
Layer 1: Consensus
ProtocolLayer 0: P2P Protocol

図 27 ブロックチェーンのレイヤ構造

出所：Ginco Inc. の Web サイト※ 17 を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2019）※ 17	https://magazine.ginco.io/post/kisochishiki_blockchain_ecosystem/

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技術戦略研究センターレポート

自律分散システム分野の技術戦略策定に向けてもう一つの理由は、ブロックチェーンを仮想通貨以外のそして、最終的には複数のユースケースから見えてくる要

フィジカルデータに適用する場合、IoT 機器のスペックを求事項の共通項を抽出し、それら仕様の統一を検討す

考慮しなければならないためである。対象となるIoT 機べきと考える（標準化）。個々のユースケース開発だけで器の仕様は様々で、ユースケースが異なれば機器の電源は仕様の乱立を招き、普及は見込めないからである。さら供給能力や計算処理能力も大きく異なることに留意が必に付け加えるならば、この標準化作業をスムーズに行うた要である。

め市場の大きな（数量の稼げる）ユースケースから着手し、その意味で、全てのユースケースに適用できるアーキテ「デファクト化」を念頭に置いた開発を行うべきである。こクチャは存在し得ないことを前提にアーキテクチャの設計のような戦略に基づきデバイス開発を行うことで、世界にを行い、かつハードウェア（IoT 機器）に任せられる機能

先駆けた製品のリリース、世界に受容されるアプリケーショ

は、その一部移管を検討することも重要である（図 28）。

ン（ソフトウェア技術）を上市できると考える。

DApps
Basement DApps
Data Scaling
BlockchianProtocol機能の一部移管を検討。
V2X 機器
（自動車）

温度センサ

バーコードリーダ（RFID）

電源供給手段図 28

39

CPS 市場へ適用する場合のアーキテクチャ

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技術戦略研究センターレポート

Vol. 39
自律分散システム分野の技術戦略策定に向けて2021 年 2 月 5 日 発行

TSC Foresight Vol.39

自律分散システム分野 作成メンバー

国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構
技術戦略研究センター（ TSC）

■ センター長

岸本喜久雄■ センター次長

西村秀隆■ デジタルイノベーションユニット
・ユニット長伊藤智・主任研究員

大窪

宏明

・研究員

村嶋

清孝

砂口

洋毅

有馬

宏和

中屋

雅夫

国立大学法人大阪大学

林秀樹

元住友電気工業株式会社

山口佳樹

国立大学法人筑波大学

遠藤直樹

東芝デジタルソリューションズ株式会社

平井成興

元NEDO技術戦略研究センター

髙木宗谷

元トヨタ自動車株式会社

理事

橋田

浩一

国立大学法人東京大学

教授

・フェロー

（2020年 9 月まで）（2020年 3 月まで）

招聘研究員
理事、
フェロー
准教授

■ ナノテクノロジー・材料ユニット
・研究員
浅井 真人 （2019年 9 月まで）

● 本書に関する問い合わせ先

電話 044-520-5150（技術戦略研究センター）● 本書は以下URL よりダウンロードできます。

https://www.nedo.go.jp/library/foresight.html
本資料は技術戦略研究センターの解釈によるものです。
掲載されているコンテンツの無断複製、転送、改変、修正、追加などの行為を禁止します。
引用を行う際は、必ず出典を明記願います。

ユニット長