高専／高校セミコン〜キリンから学ぶ呼吸の秘密〜

東京工業高等専門学校
機械工学科

清水 昭博

１．はじめに2011年３月11日以来、東北地方の方々にはまだまだ様々な苦労が多い中、先日、NHK で全国放映された今年度の高専ロボコン全国大会でも、前年度に引き続き、東北地方の高専が劇的な優勝を達成した。全国優勝の栄光を勝ち取った一関高専生らに対して敬意を表したい。
さて、高専ロボコンに関わっている小生にとってとてもありがたい高専ロボコン協賛企業である東京エレクトロン
FE ㈱の人事総務部の滝田浩之様より、今年度も卒研生のポスター発表や展示を、との要請を受け、二つ返事で快諾させて頂いた。過去２回、㈱アドバンテスト様のブース

内特設ブースに出展させて頂き、様々な分野の研究者や技術

図１

キリンが待つ㈱アドバンテスト様ブース内の美しい者から貴重な助言、コメント、激励等を頂戴して、とても特設ブースうれしかったとともに、お蔭様で、小生にとっては夢のようであるが、今年度から３年間、国から学術研究助成基金（通称：科研費）を頂けるようになったためである。
そこで、今年度は「キリンから学ぶ呼吸の秘密」と銘打った内面形状の異なる管路内の間欠振動流の可視化装置の展示と２名の高専生の卒業研究ポスター発表をさせていただいたので、彼らの生の感想も含めてここに報告する。

2．出展内容等
今年度も過去２回と同様に、半導体製造装置の後工程で欠かせない「半導体テスト・システム」で世界的に有名な㈱アドバンテスト様に図１のような美しいブースをご提供して頂いた。そこに愛くるしいキリンの模型も配置した。

図２

ブース前で：左から石井浩介様（東京エレクトロン

図２は展示ブース前での記念写真である。

FE ㈱）、清水、内田、鶴田サツキ様（㈱アドバンテスト）、

写真中の左端は、本企画の発案者として先頭になって推高島、杉原大二郎様（㈱アドバンテスト）進して来られた東京エレクトロン FE ㈱前会長の石井浩介
顧問、右から３人目が㈱アドバンテスト社長室広報・IR 課の鶴田サツキ課長、右端は同管理本部人事部採用教育課の杉原大二郎様である。

展示については過去２回と同様に、「振動流」、「呼吸」、「気今年度は、世界数か所で順番に実施されたセミコンにお管」をキーワードとした。呼吸は気管内を往復運動する振いて㈱アドバンテスト様のブース担当者がアメリカから来動流によって行われているが、キリンの場合、呼吸の際のられており、㈱アドバンテスト様がグローバル企業である

デッドスペースとなっている気管が長過ぎるので、なぜ換ことを肌で感じさせていただいた。

気ができているのか、疑問である。そこで、気管内面を観察すると、軟骨による凹凸が存在し、これが炭酸ガスの拡SEAJ Journal 2013. 1 No. 140

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散を増進する効果があるのではないか、と考えた。詳細な

管路内の凹凸によって、振動流の管路中央の主流が振動実験の結果、その効果が大きいことがわかった。また、最流として左右に行ったり来たりしているときに、溝内部に近の物質移動実験で正弦波状振動流を間欠振動流に置き換渦輪ができ、ピストンが死点の位置に来た頃に、主流がほえると有効拡散係数がさらに大きくなるという結果が得らぼ停止するのに対して、渦輪が管内に管中央に向かって収れた。

縮して管路内はすべての領域で、激しく混合される状態がそこで、今回の展示では、管内の間欠振動流中の物質移動について、キリンや人の気管内面のような凹凸の有無に観察できた。動きが速くてわかりにくかったが、少しだけ納得して頂けたようである。

よる流れの状態の違いを可視化することにした。過去２回のドライアイスによる霧では曇って見えにくかったので、「呼気吸気のツインピストンを用いた間欠振動流による生体発泡スチロール粒子を使用した図３のような可視化デモ装外換気実験」

置とした。

機械工学科第５学年

内田敦士君

高頻度振動換気法による非侵襲型人工呼吸器を想定した
前年度の卒業研究で実施した「リフレッシュ機能付き振動流」では、換気実験を実施すると、リフレッシュエア（圧縮空気）をピストンの下死点で注入して呼気を排気ポートから排出しようとしたが、肺空間内圧が大きく上昇してしまった。そこで、今年度の卒業研究では、呼気用と吸気用を別のシリンダにした人工呼吸器として試作して、生体外換気実験をしている。その構造としくみ、そして実験結果を紹介した。我々の手作りによる実験装置でのピストンの最高振動数は６Hz で、すでに実用化されている侵襲型の人工呼吸器の場合は15Hz が普通なので、まだ技術的に改良の余地がある。今後、さらに精密な装置に仕上げて、より高性能な人工呼吸器として実用化の領域に到達することを夢

図３

内面形状の異なる２種類の管路内での三角カムによ見ている。

る間欠振動流可視化装置「間欠振動流の可視化と流れ解析」
機械工学科第５学年

管路には滑らかな内面を持つ内径18mm の直円管と小径高島

綾太君部が同じ内径で、深さ６mm で幅10mm の溝を付けた円周

管路内間欠振動流中の有効拡散係数の測定の結果、溝付方向溝付管の２種類を用いて、同時に同じ間欠運動する別管内で間欠振動流を発生させた場合、有効拡散係数が直管のピストンを駆動して、図４のように管内の発泡スチロー内正弦波状振動流に比べて大きく上昇することが、過去のル粒子の運動を観察できるようにした。発泡スチロール粒実験でわかった。そこで、このメカニズム解明のため、物子はアドバンテストカラーの「ワインレッド」に近づける質移動に最も効果的であると考えられる「対流」にスポッために、蛍光赤の塗料で覆って、美しく仕上げた。

トを当て、特に半径方向流速の違いで、有効拡散係数の違

図４

可視化デモ中に見える赤色発泡スチロール粒子（上：溝付管、下：直円管）
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図５

卒研ポスター発表風景

高専／高校セミコンいが生じるのではないか、との仮説を立てて、その大きさを可視化映像から求めて比較した結果について、報告した。

３．発表学生の感想方々に感謝します。」

４．お客様からのコメント例
お客様から頂いた貴重な助言、コメントや感想例を次に紹介する。

「私は「セミコン・ジャパン」において、取り組んでいる●CO2と O2に相当する色分けした発泡スチロール粒子で研究発表をさせていただいたことで、自らの研究において可視化できたらもっと混合の状態がわかりやすくなるの課題が多く見え、視野を広げることができました。
私の研究は人工呼吸器の改良が目的で、肺空間と新しいタイプの人工呼吸器を模した実験装置で生体外換気実験をのでは？
●人工呼吸器を目指すならば酸素供給も考慮すべきでは？

行っています。人工呼吸器の部分は我々清水研究室の前年●間欠振動流の変位線図を変形したら？

度の「リフレッシュ機能付き振動流による換気」を参考に、●口腔部分も適切に再現すべきでは？

肺空間の部分はその容積などをできるかぎり近似して製作●キリンの首、人工呼吸器など身近な疑問点を探求してしたつもりでした。しかし人工呼吸器への酸素の取り込みいるところがおもしろい。

方や輸送の仕方、そして肺空間部分の近似の仕方に関して●人工呼吸器のチューブが１本であるがゆえに CO2と O2も関連企業の方々から様々なアドバイスをいただいたことの交換効率が悪くなってしまうと考えられる問題は、で、研究に対するモチベーションが今までにないほど上が電気信号においても似たような問題が起こり、位相をりました。

変えて交換したり通り道を分けたりしている。

今回、協賛して下さった㈱アドバンテスト様をはじめと●早く特許を取得すべき。

した多くの企業のお蔭様で貴重な発表の機会が与えられ、●産学共同研究はしないのか？

このような貴重なアドバイスまでいただけたのだと思いま●臨床医との共同研究が必要になるよ！

す。この研究がさらに発展し、人や社会のために活かされる日が来ることを楽しみにしています。関係各所の皆様、本当にありがとうございました。」

５．まとめ「キリンから学ぶ呼吸の秘密」と銘打って The 高専＠セミコン・ジャパンにて今年も出展させて頂いた。発泡スチ
ロール粒子をトレーサーとして導入して流れの可視化デモ「セミコン・ジャパンに参加した３日間はあっという間でをさせて頂いた。ある程度の理解は得られ、多くの有益なした。自分の研究を外部の方々に聞いてもらう初めての機助言も頂けた。皆様に心から感謝したい。参加学生らも卒会で、楽しみというよりむしろ不安であり、かなりのプレッ研ポスター発表を通してプレゼン能力が向上するとともにシャーを受けていました。実際、自分の研究内容を初めて多くの産業界の方々と直接触れ合うことで、半導体製造装の方にわかってもらうのはとても大変でした。予備知識の置の分野を含めた様々な多くの勉強をさせて頂いたようでない方に研究内容をわかりやすく簡潔にまとめる必要があある。今年も美しいブース等を提供して下さった株式会社

り、そのためにどのような工夫をすればいいのかなど今ま

アドバンテスト様と高専ロボコンに協賛して頂いている東で以上に説明の技術が求められ、それはそのまま自分の能京エレクトロン FE 様やその他の多くの関係の協賛企業の力向上につながり、それを実感できました。また、説明し皆様に対して心から感謝を申し上げたい。本企画が今後もた際に予想してなかったご指摘や質問もたくさんあり自分継続されることを切望するとともに半導体製造装置産業のの研究を見直す良い機会になりました。セミコン・ジャパ

企業の益々のご発展とご繁栄を祈念する。

ンの各企業ブースで半導体の最先端技術を見て回ることができ、とても貴重な機会になりました。このような機会を設けてくださった関係者の皆様や参加したすべての企業の謝辞
本記事で紹介された研究は JSPS 科研費24592758の助成を受けたものです。

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