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機械システム学コース

機械理工学専攻

機械材料力学講座
教授

固体力学分野平方 寛之，助教 松永 航

ミクロな世界の破壊現象の解明に挑む
なぜモノは壊れるのか。材料の変形や破壊は複雑な物理現象であり、多くの未解明問題があります。とくに、材料の寸法がナノ・マイクロメートルのスケールになると、私たちがよく知るマクロな材料とは異なる変形・破壊特性を示しますが、そのメカニズムや支配法則は未解明です。高度な機能を産み出すナノ・マイクロ構造物の発展は著しいですが、一方で予期しない破壊が生じることも事実です。当研究室では、ナノ・マイクロテクノロジーを駆使した独自の実験方法を開発して、薄膜や細線などのナノ・マイクロ材料に対する信頼できる材料強度実験を実施する
ことにより、ミクロな視点から複雑な破壊現象や電子物性との連動作用について研究を行っています。

電子顕微鏡TEM観察力学実験装置
走査型（SEM）・透過型（TEM）
電子顕微鏡

多目的原子間力顕微鏡

電子ビーム／イオンビーム
ナノ加工・実験装置
ナノ材料用二軸負荷試験装置
脆性材料a-Si

ナノ・マイクロ材料力学実験とミクロな世界の不思議な力学特性

電子顕微鏡SEM観察
力学実験装置

1µm

電子

1µm

300 nm

大変形

300 nm電子で強度を書き換える
多層グラフェン

引張荷重

ナノ積層構造のせん断試験
金ナノ材料の引張強度試験
1µm

1µm

1µm

切欠き

[010]
[001]

1 μm
巨大な変形を生み出す原子層積層構造

[100]

き裂発生
き裂進展

銅単結晶ナノ薄膜のき裂発生実験の電子顕微鏡観察
強度則の解明： 壊れない材料を目指して

主な研究トピックは、ナノ・マイクロスケールの材料強度と材料力学、電子によるリライタブル材料強度、クリー
プ・疲労破壊の機構と支配力学、二次元材料・原子層構造体の力学、ナノ構造体・薄膜に対する機械的特性評価実験法の開発、高強度・高機能ナノ構造材料の創製、力学と電子物性のマルチフィジックスなどです。
変形や破壊を支配する「力学」と機能を創り出す「物性」に着目して、ミクロな視点から複雑な物理現象を解き明かす学理の構築を目指しています。

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流体理工学講座 熱システム工学分野
教授 岩井裕准教授 岸本将史

助教 Yuting Guo

研究室Website～エネルギー変換・輸送・貯蔵の未来を開拓～

燃料電池や二次電池といった電気化学デバイス内の現象や，水素，炭化水素，アンモニア
およびそれらの混合燃料の触媒反応（改質・酸化・熱分解）を対象に，熱・物質・電荷輸送という機械工学的な観点からアプローチし，ミクロからマクロにわたる複雑現象を解明するとともに，これらデバイスの更なる展開につながる本質の理解をめざしています．また新たなエネルギーシステムの創出に向けた研究を行っています．

高効率発電

高い発電効率を有する固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell: SOFC）の研究を行っています．電極に用いられる多孔質体の3次元構造観察技術と，熱・流体・電荷の連成シミュ
レーション技術を駆使してSOFCの高性能・高耐久化を目指しています．

燃料極
電解質
空気極

研究室製ボタンセル

SOFCの構成と原理

電極多孔質の3次元構造

内部の電流経路の可視化

水素製造

水素は貯蔵性や運搬性に課題があるため，化合物の状態で貯蔵・輸送を行い，必要な時に水素を取り出すことが考えられています．そこで，炭化水素やアンモニアから効率的に水素を製造するための研究を行っています．触媒における反応量を調べたり，温度分布の可視化や数値解析を駆使して反応メカニズムを解明し，物理モデルの構築を行っています．
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熱

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触媒

Ni系触媒

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メタン水蒸気改質

熱画像カメラ

触媒上温度分布の可視化

蓄エネルギー技術

再生可能エネルギーの導入が進み，電気を貯める技術の重要性が高まっています．リチウムイオン電池の内部現象と充放電特性の相関を数値シミュレーションにより解明したり，SOFCと鉄の酸化還元反応を組み合わせた新規蓄電デバイスの実証を行っています．
発電

充電
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全固体リチウムイオン電池

充放電特性の再現

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機械システム学コース 機械理工学専攻

機械力学講座 メカトロニクス分野
准教授 遠藤孝浩

機械と電気、制御の融合によるインテリジェントな機械システムを目指します
メカトロニクスシステムの制御－物理法則に合った制御－システムのもつ力学的本質をうまく抽出したモデル表現
を導き、そのシステムに固有のダイナミクスを巧みに利用したダイナミクスベースト制御系を構築しています。たとえ複雑な対象でも、本質をつくことで、簡単な制御器でその対象を安定化できます。このダイナミクスベースド制御の構築を目指し、宇宙ロボットや柔軟構造物の制御を研究しています。
柔軟アームによる物体把持－ロボット群の制御－
多数のロボットから構成されるロボット群は、1台のロボットでは達成できないタスクを実現できる可能性を秘めています。
群れを維持したまま目的の場所へ移動するロボット群の誘導制御や、複数ロボットのうち故障したロボットがいても群を誘導できる制御手法を開発し、その安定性の理論的証明、実験による有効性の検証を行っています。

ロボット群の誘導制御

Haptics（ハプティクス）－ヒトの触知覚能力を高める技術－
ハプティックとは、触った感覚という意味です。この
触った感覚をヒトに提示する技術をハプティクスと言います。ハプティクスに関する研究の中でもヒトの触知覚能力を高める方法を研究しています。
ハプティックデバイスを用いた指
例えば、ヒトの指先での触知覚能力を高める確率共鳴
先力の運動訓練システム
現象（SR）を発現するVRシステムの開発、それを用いた運動学習スキームの提案、確率共鳴現象の効果を高めることで、触知覚能力をより高めるシステムの研究開発を行っています。
将来的には、熟練技能者のように優れた触知覚能力を獲得する、加齢により衰えた触知覚能力を回復する等を実現したいと考えています。
触感覚向上機能を有する、手指を用いた運動学習「ノイズ付与による指先知覚の向上」と「ハプティックインタフェースによる、指先への訓練支援用力
情報提示」から構成される。

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機械システム学コース 機械理工学専攻

機能創成デバイス工学研究室
講師 平井 義和

https://mdde.me.kyoto-u.ac.jp

世界最先端・独自の研究データは、オリジナルのナノ・マイクロオーダーの微細加工技術やデバイス、計測技術から生じるものと考えて研究を行っています。創造的・独創的なナノ・マイクロシステムの研究開発に資する３次元微細加工と機械工学に基づいた設計・解析を主な基幹技術として、量子干渉効果を用いた超小型 原子時計 や医薬品開発・疾患機序解明における革新的なツールと期待される 生体模倣システム（Body-on-a-Chip）など、世界をリードする分野融合型研究にも積極的に取り組んでいます。
キーワード： ナノ・マイクロ加工、ナノ・マイクロデバイス、量子センサ、生体模倣システム、１分子計測
ナノ・マイクロ加⼯︓３次元微細加⼯技術と設計論の構築

多様化が進むナノ・マイクロデバイスの高機能化・高性能化に対応する独自の３次元微細加工・集積化技術（シリコン、ポリマー）の開発や、設計・解析の方法論を構築することで、これまでにない機能デバイスの設計・開発へ応用する研究を行っています。

量⼦センシング︓⾼性能チップスケール原⼦デバイスの開発

量子科学技術を応用した高度な操作・制御技術の進展により、センサの感度や計測分解能を極限まで高める研究が活発になっています。例えば、
次世代情報通信基盤（Beyond 5G/6G）や自動運転技
術・スカイカーの時空間同期・制御を行うために使う「高性能な超小型原子時計」の製造技術を開発しています。
バイオマイクロシステム︓センサ・マイクロ流体技術を利⽤した⽣体模倣システムの創製

微

小な流路や容器で構成される手のひらサイズのマ
イクロ流体デバイスとヒト由来細胞を使って体のしくみを模倣する「組織チップ／ボディ・オン・チップ」
は、動物実験を代替する創薬試験デバイスとして世界的に注目されています。本研究では、チップにセンサを搭載して細胞組織や臓器間相互作用をリアルタイムに計測する技術を開発し、新しい医薬品の開発や疾病進行・機序の解明のスピードアップを目指しています。

桂図書館・「桂の庭」で紹介中
https://seeds.t.kyoto-u.ac.jp/seeds/hirai/

ナノバイオ科学︓膜タンパク質の機能制御機構を解明する１分⼦動態計測技術

細胞膜に存在する温度感受性（TRP）イオンチャネル
群は、生体マルチセンサとして熱や力、化学物質による刺激を感受して働くことが知られています。その本質的な機能を理解するために、マイクロデバイス技術を使って物理・化学的刺激を TRP チャネルに印加し、機械のように動く様子をその場で動画計測する「１分子計測技術」に取り組んでいます。

機械システム学コース マイクロエンジニアリング専攻

構造材料強度学講座
教授
Topology optimization-トポロジー最適化-

トポロジー最適化は，構造物の最適な形状・トポロジー（穴の数）を，物理学・数学理論に基づくコンピュータ計算により自動的に求める方法であり，次世代の機器設計開発に必要不可欠な基盤技術として，学術界・産業界において注目されています．当研究室では，レベルセット関数による形状表現（左図上）を用いた独自の最適設計手法に基づき，機器の高性能化・高機能化に加えて，今までにはない新しい機能を持つデバイスや材料の創成設計法の開発を，世界に先駆けて取り組んでいます．

泉井一浩,

講師

林聖勳
Electromagnetic devices-電磁デバイス近年の環境問題に関連し，燃費に対する規制が厳しくなっています．そのような状況の中，産業界では燃費向上のために
電磁デバイスを用いることが増えています．私たちの研究室では，下図のような
電磁デバイスの性能を向上させるためのマルチフィジックス・マルチマテリアルの最適設計手法を開発しています．

国際競争を勝ち抜く
革新的な次世代機器
先駆的な新産業の創成を目指して
Thermal fluid devices-熱流体デバイス代表的な熱流体デバイスとして，
流れによる熱交換・冷却を行う
ヒートシンクがあります（右図）．熱・流体のように複数の物理現象が連成する問題に対しても，トポロジー最適化法を適用することができます．当研究室ではこの他にも，ペルチェ素子やピエゾ素子等の様々なマル
チフィジックスデバイスの最適設計法の開発を行っています．

only consideringof areaconsidering of area, operation
time, and manipulability

Layout Design Optimization-レイアウト設計近年，多品種少量生産に対応可能なことから注目が集まっているロボットセ
Activities-活動実績ル生産システムでは，ロボット等の機器の位置を決定するレイアウト設計が日本機械学会，日本計算工学会，精密工学会を中心として，関連する講演会及び学術雑誌において，研究成果を発表しています． 重要となります．当研究室では，遺伝的アルゴリズムに基づく発見的手法に
国外では WCSMO を始めとする最適設計分野の国際会議，
より，複数の評価基準を考慮したレイ
WCCM を始めとする計算力学分野の国際会議において講演発表をアウトの最適設計を行っています．
行っています．さらには， “Computer Method in Applied Mechanics
and Engineering” などの著名な国際雑誌において研究成果を発表しています．

機械システム学コース マイクロエンジニアリング専攻

ナノシステム創成工学講座 マイクロバイオシステム分野
教授 横川 隆司，特定准教授 Ramin B. Sadeghian, 助教 藤本 和也, 特定助教 Hang Zhou

研究室HP: http://www.ksys.me.kyoto-u.ac.jp/

研究概要

研究室HPへマイクロ・ナノ加工技術を基盤に、細胞スケールの生体材料と融合したバイ
オメカニクスおよび再生医療研究を展開しています。ヒトiPS細胞由来の各種細胞を用いて、血管網と実組織の界面をマイクロ流体デバイス内に再現します。臓器発生過程の理解を目指す基礎研究、薬物動態や安全性を評価する流体デバイスの開発、機械学習による血管網の評価など、マイクロ・ナノ
加工技術の貢献する幅広い研究を対象としています。

Organ-on-a-Chip/MPS（生体模倣システム） 二次元培養
体の中の組織を体の外で再現する
血管側と臓器細胞側を分離
RFP-HUVECs
GFP-HUVECs
Alexa647-BSA
z
y

血流の再現
1 mm

2 mm

疾患モデルとして診断や創薬技術に応用

臓器細胞側

生体機能を

オンチップ
ナノバイオ
システム

三次元組織に血管網をつなげる
オンチップ血管新生

腎臓の上皮細胞

多孔質膜

見る

作る

500 mmiPS細胞由来腎臓オルガノイド

血管網と三次元組織の共培養により生体を再現

生体機能を

DAPI
LTL

1 mm

血管側

350 µm
血管内皮細胞

生体機能を測る
1．上部電極細胞の機能を測る

細胞機能評価のための実験系 2．PDMS チャネル
3．多孔質膜組織モデル（スフェロイド）

4．PDMS チャネル
5．下部電極血管網を構築灌流可能な血管網

緑:線維芽細胞スフェロイド

近位尿細管

老廃物

200 μm

がんの三次元組織に血管網を接続し薬剤開発へ

グルコース

間質液

赤:
栄養，酸素

アルブミン

尿細管上皮細胞

血管網
ビーズ

尿細管流

毛細血管

血流

血管内皮細胞腎臓の近位尿細管の機能を模倣したデバイス開発

0s

180 s

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研究の概要

マイクロ・ナノデバイスにおいては様々な材料の微細な形状を整えることで，性能の飛躍的な向上や，新しい機能性の実現が期待できます．高度に発達したトップダウンの微細加工技術に加えてボトムアップのプロセスを取り入れることで，従来にない新しい構造をもったデバイスをデザインし，創り出すことが可能になります．本研究室では，ボトムアップの手法に基づいた新しいナノ形態の制御法の開発とその応用を目指した研究を行っています．

1. ナノ形態の制御: 原子や分子の蒸気が固体表面で凝集するプロセスを理解してそれを利用することで，10-8 mレベルの微小な要素の形を制御します．(図1)2. ナノ形態を用いた光の制御: ナノ形態を制御すると，均一な物質にはないユニークで有用な特性が得られます．新しい機能の探索から実用化まで幅広い研究を行っています．(図2)(a) FeSi

2

FeSi2

SiO2

Al

(b)

図1. 動的斜め蒸着法による螺旋型ナノコラム構造の形成．
M. Suzuki et al., Jpn. J. Appl. Phys., 40, L398 (2001).

(c)

図2. 液晶プロジェクタに搭載された低反射型ワイヤグリッド偏光板．
M. Suzuki et al., Nanotechnology, 21, 175604 (2010).

3. ナノ形態を用いた流れの制御: 光を熱に変換できるナノ形態を用いて，ごく少量の液体を操る流れを発生できます．このユニークな流れの発生原理解明と制御に関する研究に取り組んでいます．(図3,4)

図3. マイクロバブル周辺に誘起される典型的なマランゴ
ニ対流の(a)顕微鏡像と(b)その模式図．

図4. 水蒸気マイクロバブルおよび 1 m/s オー
ダーの劇的な対流の生成に成功．

K. Namura et al., Appl. Phys. Lett., 106, 043101 (2015).

K. Namura et al., Sci. Rep., 7, 45776 (2017).

機械システム学コース・ マイクロエンジニアリング専攻

マイクロシステム創成講座

精密計測加工学分野

教授 松原 厚，准教授 河野 大輔，
特定助教 森 幸太郎，特定助教 大和 駿太郎，技術専門員 山路 伊和夫
精密計測加工学研究室では…… 現代の生産現場を支える機械加工についての研究を行っています．特に，機械を作る機械である「マザーマシン」＝工作機械の運動精度の向上や工作機械そのものの技術革新，さらに，加工の難しい工作物のための加工プロセスの提案などに取り組んでいます．
より詳細は： 研究室ホームページ http://mmc.me.kyoto-u.ac.jp/

多軸加工機の高精度化
日常にあふれる工業製品の多くは，工作機械と総称される機械を用いて生産される．近年，直交 3 軸（X，Y，Z）に加え，工作物・工具の傾きを制御するための回転軸を持った工作機械が急速に普及している．特に，回転テーブルとその傾斜軸を持った 5 軸制御工作機械は航空機エンジン用タービンブレードの加工などで活躍している．5 軸制御工作機械による加工は，回転運
動と直進運動の組み合わせになる．そのため，5 軸制御工作機械
は，従来の 3 軸制御工作機械と比較して加工精度が劣ることが多い．しかし，回転軸・直進軸が持つ誤差要因が複雑に影響し，最終的な加工精度として転写されるために，誤差の原因分析や「マザーマシン」＝工作機械

低減は非常に難しく，多くのメーカで課題とされている．本研

日常にあふれる工業製品を生産するための機械，機械を作る機

究室では，3 軸・5 軸制御工作機械の運動誤差の測定法，測定装械の意味で工作機械は「マザーマシン」と呼ばれるときがある．工

置開発，誤差の原因分析に基づく補正法提案などに取り組んで業生産の根幹を支える機械であり，日本のメーカは世界市場でトいる．

ップレベルにある．

高能率・高精度な加工機のための技術
産業革命以来の長い歴史を持つ工作機械は，それを構成する要素技
術の多くは成熟している．しかし，近年の更なる高能率化・高精度化の要求に応えるためには，加工・制御・計測・機械要素・設計技術など多方面からの技術的なブレークスルーが必要である．右の写真は本研究室で試作したテストスタンドである，学生や教員のアイ
デアに基づいて，センサや駆動軸の追加など，少しずつ改良が加えられ，案内や駆動機構などの機械要素の誤差解析とその改良，誤差補正技術の提案，加工や機械の状態のモニタリング技術などの研究に使用されている．

Workpiece

CAD

Endmill

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Bolt
Supportstructures

Base plate
Holding fixture
Fabrication

次世代の生産加工技術のために
現代の生産工程において，切削・研削などの除去加工と，プレスな

Workpiece

Workpiece

本研究室で試作した超精密テストスタンド
市販機と異なり，様々なセンサや付加駆動軸を搭載可能．

CAD

CAD

３軸のテストスタンドとも呼ばれる Additive Manufacturing (AM)が発達し，AM を応用した生産加工技術の発展が期待されている．また，従来型の加工技術であっても，低い環境負荷や生産環境（保有機器の稼働状況，サHolding
fixturePost-process

プライチェーン，etc.）の変動に対する生産継続性など，新たな課
題解決への要求が高まっている．
社会の幸福を持続的に維持できる
次世代の生産加工のために，
新旧様々な機械の混在する生産現場でAdditive Manufacturing を前提とした加工プロセス

あっても情報を共有・分析でき，人の意思決定を助けるようなシス

AM の自由度の高さを活用するために，最適化手法を応用して，

テム，ものづくりのハードルを下げて，人の創造性を自由に発揮で製品と加工用の冶具を同時に設計・生産するプロセスを研究している． きるシステムの実現を目指している．

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教授 東 俊一
動的システムのダイナミクス（動き）をデザインするための学術的基盤が「システム制御理論」です．
本研究室では，システム制御理論の開発とそれを先端科学分野や産業界に展開します．特に，「物理と情報をつなぐ」という視点から研究を実施し，新しい未来を拓く動的システムの創成に挑戦します．また，
この研究活動を通じて，学界や産業界においてシステム制御のリーダーになれる人材を育成します．

マルチエージェントシステムの制御と群知能化

マルチエージェントシステムとは，複数のエージェ

ントの局所的な相互作用をもとに大域的な機能を発現するシステムのことです［東ほか，マルチエージェントシステムの制御，コロナ社，2015］．近年，産業界で大きな注目を集めているスマートグリッド，
スマート物流，自動車の自律化（自動運転）を実転する技術として，また，システム生物学や群知能学の数理モデルとして重要な研究対象になっています．本研究室では，エージェント間の情報の流れに注目してマルチエージェントシステムの解析と制御のための理論を構築します．さらに，マルチエージェ
ントシステムを，大規模システムを制御する「群知能」にまで昇華させるための研究を実施します．
量子化制御

大規模システムの制御においては，現実世界に存在する物理系をセンサで計測し，サイバー空間でその情報を分析して制御入力を生成します．現実世界の物理量は連続的な値になるのに対し，
サイバー空間で扱われる情報は離散的な値となります．このような連続値の物理量と離散値の信号が混在したときに必要となるのが量子化制御です．本研究室では，サイバー空間で扱う情報量と現実世界での制御性能の関係を明らかにし，それを基に量子化制御の設計理論を構築します．
データ駆動型システム解析と制御

動的システムを解析する際の標準的なアプローチは，「計測データ ⇒ 数理モデル ⇒ 解析結果」という手順に従うことです．しかし，計測データが不十分な場合には，精度の良い数理モデルが得られず，手順の途中で断念することもあります．そこで，計測データから，モデルを構築することなく，直接，解析結果を得る，すなわち「計測データ ⇒ 解析結果」というデータ駆動型のアプローチが重要です．本研究室では，データ駆動型アプローチが本質的に必要となる解析
問題や制御問題の特徴付けと，具体的な解法の開発を行います．
先端科学分野や産業界への展開
化学・ロボティクス・AI：分子ロボティクス，分子サイバネティックス，医療：疾患の予兆検出と予防，
生物：生体ネットワーク，データ科学・エージェント：オープン群知能学，交通：トラックの隊列走行制御，エネルギー：エネルギー管理システム※ 研究室ウェブサイト：http://www.ctrl.sys.i.kyoto-u.ac.jp/

情報学研究科 情報学専攻 システム科学コース

⼈間機械共⽣系講座 ヒューマンシステム論分野
教授 加納 学 ， 助教 加藤 祥太

⾃分たちの研究で，社会をより良くしたい，⼈を幸せにしたい．これまでに培ったデータ解析・モデリン
グ・制御の技術を基盤にして，対象を選ばないシステム科学的アプローチにより，その想いを実現する研究に取り組んでいます．鉄鋼・製薬・半導体・化学などの製造業で⾼品質製品の安定⽣産を省資源・省エネル
ギー下で実現するために，様々な病気が引き起こす苦しみから患者さんを解放し，⼈々が健康であり続けることを⽀援するために，あるいは美味しく栄養価の⾼い農作物の収量を最⼤化し，⽣産者と消費者の双⽅を笑顔にするために，企業・病院・⾏政とも協⼒しながら，それぞれの現場に⼊り込み，解くべき重要な課題を⾒付けて，粘り強く解決しています．
研究１）プロセスデータ解析・制御・最適化：企業との共同研究で本物の課題を解決
製品品質を制御したくても肝⼼の品質をリアルタイムには計測できない．不良品をなくしたいが原因がわからない．超⾼効率⽣産を実現したいが実現⽅法がわからない．そのような産業界に共通する課題を解決するため，プロセス・インフォマティク
ス（プロセスデータ解析技術）や制御技術を開発し，様々な産業界で研究成果の実⽤化を進めています．製造分野でのデジタ
ルトランスフォーメーション実現の鍵を握る研究です．
研究２）物理モデル⾃動構築 AI の開発
製造プロセスを思い通りに動かすためには，プロセスの挙動を正確に表現できる物理モデルが⽋かせません．しかし，物理モデルの構築は極めて難しく，専⾨家が⻑い時間をかけて取り組まなければなりません．その労苦から専⾨家を解放し，短期間でモデルを利⽤可能にするため，⽂献情報から⾃動的に物理モデルを構築できる⼈⼯知能（AI）を開発するという壮⼤な⽬標を掲げて挑戦しています．
研究３）⽣体信号処理による医療・ヘルスケアサービスの創出
ウェアラブルヘルスケアサービスに注⽬が集まっています．本分野
では，ドライビングシミュレータや脳波計，回路製作環境を整備し，病院や企業と共同でウェアラブル⼼拍センサを⽤いたてんかん発
作予知・運転時居眠り検知・ストレス評価などの医療・ヘルスケア
サービスを開発しています．研究成果を社会実装するため，2018 年にクアドリティクス株式会社を創業しました．

てんかん患者

スマートフォン
⼼拍センサ+ 無線通信研究４）農業システム⼯学：⽣産者と消費者の共栄を⽬指す地域密着型研究開発
種⼦島の⾃治体や⽣産農家さんと⼀緒に，スーパー安納いもプロジ
ェクトを推進しています．⾃然を相⼿にする農業では，いかに美味
しい農作物を安定して栽培するかが課題です．そこで，⼟壌，気象，
栽培，貯蔵のデータを収集し，モデル化することで，最適な農作業を助⾔できるシステムを開発しています．さらに，美味しさを予⾒できる⾮破壊分析技術の実現，最⾼に美味しい焼き芋を焼くための焼き芋シミュレータの開発にも取り組んでいます．

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