Kyoto
InstituteofTechnology

京都グリーンラボ

Tel/Fax

075-724-7452
Mail
電気電子工学系 小林 和淑 教授

greenlab@kit.ac.jp

Greener

23
Address〒606-8585
京都市左京区松ヶ崎橋上町1

KYOTO

Kyoto
Lab fora Greener
Future活動報告書

京都グリーンラボとは

本 学にグ リーンイノベーション分 野の研 究 拠 点 を 確 立 す る こ と月の研 究 力 及 び

を 目 指し ︑２０１５年に 教 育 研 究 プロジェク トセンター﹁ グ リーン

出発いたし まし た ︒

も 取り 込 み ︑近 領 域の連 携 を 目 指 す﹁ 京 都グリーンラボ﹂として再

ら は ︑電 気 電 子 工 学 だ けでは な く機 械 工 学 ︑情 報 工 学の研 究 分 野﹁ グリーンイノベーションラボ﹂が 設 置 さ れ ま し た ︒２０２２年 度か

産 学 連 携 機 能 強 化 の一 環 と し て 重 点 研 究﹁ ラ ボ ﹂の一つ と し てイノベーションセンター ﹂が 発 足し ︑２０１８年
10も 紹介し ま す︒
京都グリーンラボ長

開発﹂の研究 を 推進することとな りまし た ︒本研究の概要について

研 究 者 と と もに﹁スケー ラブルな 高 集 積 量 子 誤 り 訂 正システムのプロジェクトマネージャーに採択さ れ ︑本学な らびに他研究機関の︵ ＪＳＴ ︶が 推 進 す る﹁ ムーンショット 型 研 究 開 発 事 業 ﹂目 標 ６の

ま た ２０２２ 年 度 よ り︑国 立 研 究 開 発 法 人 科 学 技 術 振 興 機 構

く だ さい︒

い 分 野 での 融 合 を 目 指 し た 近 領 域 研 究 の 今 後 の 発 展 に ご 期 待デザイン・工学 機構の主導のもとで進んでおりま すが ︑も う少し 狭に広い学際領域での研究立ち 上 げ を 目指し た﹁ＡＧＯＲＡ﹂も 未来の研 究 機 関との連 携での新 た な テーマの研 究 を 実 施し ま す︒さ ら

とも あ るでしょう︒近 領 域 研 究では ︑少 な くとも 他 学 系 ︑広くは 他

ま す︒そ れ らの研究 を 俯瞰することで新た な 気付き が 生ま れるこ

えば ︑ＡＩ︵人工知能︶応用の研究は︑設計工学域で広く行われてい多くなってきていま す︒蛸 壺 を 全 否 定 することはでき ま せんが ︑例

近年は研究領域の細分化が 進みす ぎ た 反動で︑蛸壺的な 研究がすること を 目的に立ち 上 げ まし た ︒

る 研 究 を 新 たに開 始し ︑国・産 業 界か らの大 型の外 部 資 金 を 調 達

を 中 心に︑こ れ まで近くて遠かった 機 械・情 報・電 気 電 子 を 横 断 す

学所属教員によ る７テーマから な りま す︒
この研究は︑設計工学域

研 究 内 容 を 紹 介 す る ものです︒
２０２３年 度の﹁ 近 領 域 研 究 ﹂は 本

本 報 告 書は ︑京 都 グリーンラボで新 たに始めた﹁ 近 領 域 研 究 ﹂のKYOTOLab fora Greener Future
小林 和淑

01
研究実績

ペロブスカイト系材料によるマイクロLEDディスプレイ

電気電子工学系

山下 兼一 教授
電気電子工学系

いるが、より高精細な量子ドットディスプレイや、より低消費電力

研究成果

研究
協力者

西中 浩之 准教授

研究内容

研究
代表者

表示素子であるディスプレイには、液晶や有機ELが利用されて本研究では、ペロブスカイト系マイクロロッドを利用したマイクロLEDの形成技術の確立に向けた検討を技術の開発

なマイクロLEDの研究開発が行われている。特にディスプレイの進めている。その検討として、（ 1）マイクロロッド単結

マイクロロッドを並べる技 術開発として、まずは電モバイル用途が一般的になっている中、より低消費電力のマイク

晶の成長及びその制御、（ 2）形成したマイクロロッドを極形成用のフォトリソ用マスク設計を行った。電極とし

ロLEDへの期待が大きくなっている。

電極間に並べる技術の開発を行っている。最終的にこていくつかのパターンを設計しており、マイクロロッド

本研究では、次世代ディスプレイとして期待されているマイクロの（1）と（2）を組み合わせて電流注入によるLED動作のサイズに合わせて利用する予定である。現在このLEDとして高効率な発光が可能なペロブスカイト系材料を合成を行うことを目標とする。また、このマイクロロッドを

フォトリソ用マスクを利用して電極の形成を試みていし、ディスプレイ応用に向けてそれを整然と並べる技術の研究開

電極間に並べる技術は、LEDのみならず、センサーやる。電極の形成後、電気泳動手法を用いて電極間にマ発を行うことを目的とする。このペロブスカイト材料は高効率でFETなどへの応用も可能であると考えている。

イクロロッドを並べる検討を進めていく。

発光しながらも、溶液などから容易に合成することが可能であ（1）マイクロロッド単結晶の成長及びその制御

り、太陽電池や発光材料として盛んに研究がなされている。さらCsPbBr₃系のマイクロロッド形成でよく利用されてに薄膜形状から単結晶の合成も溶液プロセスで形成ができるこいる貧溶媒法を利用して、CsCuI系のマイクロロッドの究では、マイクロLEDにペロブスカイト系材料の単結晶マイクロ

研究はなされているものの、有害なPbが含まれること

国内会議日本材料学会半導体エレクトロニクス
部門研究会にて成果発表▶ Japanese Journal of Applied Physics誌に論文投稿中▶ Cs₂CuI₃とCs₃Cu₂I₅の単結晶マイクロロッドの形成に成功▶ 電極形成用のマスク設計完了

ロッドを利用する。そのマイクロロッドの液中での合成方法としから、有害なPbを含まないCsCuI系のマイクロロッドて、貧溶媒法や逆温度結晶化法などを採用して検討を行う。それの形成を行っている。貧溶媒法は、①CsCuI系を溶解

らの検討で、合成方法や合成条件によって得られるペロブスカイ

させた前駆体溶液を用意、②CsCuI系材料の溶解度

ト系マイクロロッドの形成の調査を行い、マイクロLEDに適した構が低い溶媒を別途用意、③それを蒸発拡散により、前造の形成を行っていく。また、マイクロLEDとして利用するため

駆体溶液中に取り込ませることによって、CsCuI系材に、電極間にマイクロロッドを整然と並べる必要があるが、その手料が徐々に析出、結晶化する方法である。急激な結晶法には電気泳動を利用する。液中に浸漬した電極間に電圧を印化を防ぐことができるため、比較的大きなマイクロロッ

加することで、電気泳動によってマイクロロッドが液中を移動してドが形成できる。この手法を用いてCsCuI系のマイク

電極間に固定される。これらのマイクロロッドの合成技術や電極

ロロッドの育成に成功した。得られたマイクロロッドは間への固定技術はLEDなどのディスプレイ応用だけでなく、セン

ばらつきがあるものの、径が10〜50μm、長さが数十〜

サーやレーザーなどへの利用も考えられる。

数百μmのものが得られた。
また得られたマイクロロッド
はXRD解析などから黄色発光するCsCu₂I₃であること

ペロブスカイト系材料によるマイクロLEDディスプレイ

形成を試みた。CsPbBr₃自体も高効率発光し、盛んに研究実績 01とから、低コスト化が実現できる材料として注目されている。本研
特筆すべき実績▶

（2）形成したマイクロロッドを電極間に並べる

マイクロロッドが分かった。
CsCuI系マイクロロッドの形成手法として逆温度結晶化法での検討も行った。この手法は、温度を上昇させることで溶解度を下げて、結晶を育成する手法である。溶液の温度や濃度を調整することで様々な形状のマイクロロッドを形成することに成功した。得られたマ
イクロロッドの光学特性を評価すると、青色発光して
おりCs₃Cu₂I₅であることが分かった。このように異なる手法を採用することでCs₂CuI₃とCs₃Cu₂I₅の2種の青色発光するCs₃Cu₂I₅単結晶と黄色発光するCsCu₂I₃単結晶

03

材料を作り分けることに成功した。

フォトリソ用マスク

04

02
研究実績

半導体を利用した微生物人工光合成によるCO2還元
本研究では、光半導体と細胞外電子伝達菌を組み合わせた人工光合成システムの構築を目標に検討を進めている。その検討として、（ 1）太陽光に応答する

よるCO₂還元エネルギー材料の生成について検討を行ってい光半導体の形成技 術の開発、（ 2）電子を細胞外で授る。近年外部から電子を取り込んだり、放出したりしながら代謝

受して、CO₂を還元しメタンを生成する微生物によるをする微生物（細胞外電子伝達菌）が見つかり、この微生物を利電気化学反 応系の開発、（ 3）これらを組み合わせた用するプロセスの開発が進んでいる。本研究では、この電子を取人工光合成システムの構築を行う。本年度はこの（1）

り込む微生物に、太陽光と光半導体で形成した電子を供給すると（2）の検討を進めてきた。

電気電子工学系

ことでCO₂固定化技術の開発を行う。一般に光合成を行う微生井口 博之 准教授
京都先端科学大学
バイオ環境学部 食農学科

（1）太陽光に応答する光半導体の形成技術の開発

物は光の変換が得意ではなく、半導体はCO₂の還元が得意では多くの光触媒材料（光半導体）は、紫外光に反応すない。一方で、微生物はCO₂の還元が得意であり、半導体は光のるものが多く、太陽光の幅広い利用には可視光を吸変換が得意である。そこで、これらを組み合わせることで、太陽収する材料が必要である。また、可視光を吸収する光

光による超高効率のCO₂還元につながる可能性があると考えて

触 媒に適した光半 導体として、C dSなどの硫化物がいる。

存 在するが、これらは光触 媒 反 応によって自己酸化

西中 浩之 准教授

電気電子工学系

Werner Carl Frederik 助教
電気電子工学系

特筆すべき実績

また、通常微生物は多孔質材料には棲みつくことができるもするといった課 題がある。そこで本研究では、インジのの、光半導体などのつるつるした表面構造には棲みつくこと

ウム酸化物（In₂O₃）にBiを添加する（IBO）ことで中が難しい。この光半導体と微生物間の効率的な電子授受は、人間準位が 形成されることを利用して、可視 光を吸収

工光合成システムにおける物質生産効率のカギとなる。そこでする光半導体の検討を行った。そのIBO薄膜の形成

本研究では、半導体の微細構造作製技術を駆使して、表面に凹にはミストCVD法を用いた。その薄膜の光学物性を

凸形状を形成することで、光半導体表面に微生物が棲みつく場

評 価したところ、可視 光領域に吸収を持つIBO薄膜所を形成する。その凹凸構造形成には、光半導体となるナノワイの形成に成功した。

ヤーを利用する。このナノワイヤーに微生物を棲ませて、そのナ

さらにその光触媒特性をメチレンブルー分解実験

ノワイヤーに太陽光を照射することで、電子を微生物に供給しにて評価したところ、可視光に吸収を持たないIn₂O₃てCO₂還元を行う。

薄膜は光触 媒 反 応を示さなかったものの、IBO薄膜
は可視 光に応答して光触 媒 反 応を示した。このIBOIBOの可視光光触媒反応

ミストCVD法により形成したIBO結晶のナノロッド

半導体を利用した微生物人工光合成によるCO₂還元

2023年度科研費挑戦的研究（萌芽）に採択。
「細胞外電子伝達菌と光半導体による高効率
人工光合成への挑戦」▶ 国際 会 議E-MRS Spring Meeting、
U WO2 0 2 3、国内会 議日本 材料 学 会 半 導 体
エレクトロニクス部門研究会にて成果発表▶ 国際論文誌Materials Chemistr y andPhysicsにアクセプト

研究実績 02を進めるために、半導体と微生物を組み合わせた人工光合成に

野田 実 教授▶

を持つが、その実現に向けて超高効率CO₂還元システムの開拓

研究成果

研究
協力者

研究内容

研究
代表者

カーボンニュートラル社会の実現は人類にとって大きな意義に 微 生物 が 棲 みつきやすくするために 、IB O のナノ
ロッドの形成を試みた。IBOナノロッドの形成には、ミストCVDと金 触 媒を利用したVLSを利用した。この微生物電気化学評価系

05

ミストCVDとVLSによって、数十nm程 度の径のナノする細胞外電子伝達菌には当初はMethanobacte-

ロッドの形成に成功した。

rium palustreを検討していたが、安定した育成が難（2）電子を細胞外で授受して、CO₂を還元しメタンをしいことから、Methanosarcina barkeriへ変 更し生成する微生物による電気化学反応系の開発て検討している。このMethanosarcina barkeriを

光半 導 体と組み合 わせる微 生物の評 価を行うた

利用して電気化学評 価を進めており、メタンの生 成め、電気化学反応系の構築とその電気化学反応系をの傾向が見られてきた。今後この再現性の検証や必利用した細 胞 外電子 伝 達 菌による電 気化学反 応の要な電圧の評価などを進め、光半導体と組み合わせ

評価を進めている。そのCO₂を還元し、メタンを生成るための条件の調査を進めていく。

06

03
研究実績

ワイヤレスセマンティックコミュニケーションによるデジタルツインの構築

情報工学・人間科学系

髙井 伸和 教授

電気電子工学系▶

現在、本研究グループは、
ワイヤレスセマンティックコ

おいてチャネル状態が良い高SNR環境においてMS-SSIM

ミュニケーションの実現には無線通信デバイス並びに無が低下している現象が見られるのは、
SNR 3 dBで学習した

ジタルツインの構築を目指す。現実空間の情報をデジタル空間

線通信信号に要求される品質に課題があると考え、
今ま符号化器・復号器が、変動する無線通信チャネルの状況にに再現し、デジタル空間上で現実空間をシミュレーションするでに提案されたセマンティックコミュニケーションの特性十分に追随できていないことを示している。
この再現シミュことで、現実の人間社会に有益なフィードバックを行うデジタルの調査を、既存のセマンティックコミュニケーションの再レーションを通じて、変動する無線通信チャネルへの適応性

ツインシステムの構築が期待を集めている。現実空間の双子と現シミュレーションを通じて実施している。

に課題があることが判明した。
今後、本研究グループでは、高い伝送効率、電力効率、ならびに情報の信頼性を実現するデなるデジタル空間を構築するには、固有のタスクを有する多数の論文[1]では、
深層学習アルゴリズムSwin Transformer

多様な状態を有する無線通信チャネルに適応的に追随できセンサがセンシングした情報をワイヤレス通信によりクラウド／を利用した画像無線伝送のためのセマンティックコミュ

る深層学習モデルの設計及び開発に取り組む予定である。

エッジサーバ上に集約する必要がある。一方で、時々刻々と変化

ニケーションを提案している。
本研究グループにおいてこ

論文[2]では、
音声無線伝送のためのセマンティックコミュ

する現実世界の情報をワイヤレス通信で伝送するためには、現の方式の再現シミュレーションを実施した。画像データ

ニケーションを提案している。
本研究グループでは、
音声無行のワイヤレス通信より高い伝送効率、電力効率、情報信頼性

セットCIFAR-10における、加法的白色ガウス雑音

線伝送の方式についても再現シミュレーションを実施した。

が要求される。セマンティックコミュニケーションは、現実世界（AWGN）
チャネルと振幅位相変動を伴うレイリーチャネ

論文では、学習のための音声データセットは英語音声であの情報のうち必要な特徴のみを検知して伝送することで高い伝

ル 上 の S N R（ S i g n a l - t o - N o i s e R a t i o ）に対 する

り、客観評価指標の一つであるPESQ（Perceptual

送効率、電力効率、信頼性を実現するコミュニケーション技術でMS-SSIM（Multi-Scale Structural Similarity）
をそれぞ

Evaluation of Speech Quality）
で英語音声を評価している。

ある。図1は、クリティカルシーンを複数のセンサが協調して収集

れ図2と図3に示す。横軸のSNRはワイヤレスチャネルに本研究グループでは現在、この方式を日本語音声データ

し、クラウド／エッジサーバにて必要な情報を提示するセマン

お ける 受 信 信 号 電 力 と雑 音 電 力 との 比 、縦 軸 のセットに対して適用して主観的に評価している段階である。

ティックコミュニケーションシステムの一 例である。このとき、MS-SSIMは元の画像ファイルと復元した画像ファイルの今後、深層学習モデルが異なる言語の音声においても汎化

クラウド／エッジサーバ上でクリティカルシーン前のデジタル空構造的類似度を示す指標で、いずれも高い値が良い品

能力を有しているかどうか、
例えば、
学習用データセットを英間が構 築されていることを前 提とする。現 実 空間と無 線 通信

質を表す。
AWGNチャネルではSNR 10 dB、レイリーチャ

語音声、
評価用データセットを日本語音声にするなど、を検チャネルの状態に応じて、深層学習モデルにおける学習に基づ

ネルではSNR 3 dBで学習し、それぞれの符号化器およ証していく予定である。
これらの汎化性能に関する検証を通き、セマンティック符号化器・復号器とチャネル符号化器・復号

び復号器を構成した。パラメータCは送信チャネル数を

じて、
音声、
画像、
映像、
点群などのマルチモーダルデータに器は適切に構成される。このようなマルチモーダルなセンシング

表し、この数値が小さいほど無線チャネル上で画像の情対するセマンティックコミュニケーションの統一的な設計手

データを知識ベースで情報処理するデジタルツインの実現が本報が圧縮されていることを意味する。高い圧縮率は伝送法の考案につなげていきたいと考えている。

研究テーマの最終的なゴールである。

効率を高める一方、これらの図からMS-SSIMが低下して無線通信デバイスでは非線形な増幅器を介して信号を伝いることが分かる。
無線通信チャネルでは、周辺環境の変送するため、
送信する無線通信信号の振幅変動が小さいほ化に伴い受信信号の振幅及び位相が変化していく。
図3にうが望ましい。
また、
無線通信では隣接する無線チャネルの与干渉・被干渉を避けるために、
無線通信信号は適切に帯域制限を行う必要がある。
今後は、このような無線通信デバ

ワイヤレスセマンティックコミュニケーションによるデジタルツインの構築

電子情報通信学会コミュニケーションシステム
研究会（2024年3月に研究発表予定）

図3 レイリーチャネル上のSNRに対するMS-SSIM

研究実績 03

特筆すべき実績

本研究グループではセマンティックコミュニケーションにより研究成果

梅原 大祐 教授

研究内容

研究
代表者

図2 AWGNチャネル上のSNRに対するMS-SSIM

イスおよび無線通信信号における制約条件を考慮に入れたセマンティックコミュニケーションの設計手法を確立することも視野に入れて研究開発を進めていく予定である。
［参考文献］[1] K. Yang et al., “WITT: A Wireless Image Transmission Transformer for
Semantic Communications, 2023 IEEE International Conference on
Acoustics, Speech and Signal Processing, Jun. 2023. DOI:
10.1109/ICASSP49357.2023.10094735[2] Z. Wang and Z. Qin, “Semantic Communication Systems for Speech
Transmission,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 39,
no. 8, pp. 2434 ‒ 2444, Aug. 2021. DOI: 10.1109/JSAC-2021.3087240
図1 クリティカルシーンを検知して状況を報告するためのセマンティックコミュニケーションシステム

07

08

04
研究実績

スマートギヤの開発

機械工学系

島崎 仁司 准教授
電気電子工学系
本宮 潤一 講師

鳥取大学 工学部
機械物理系学科

より、経済発展と社会的課題の解決を両立する人間中心の社会」

研究成果

研究
協力者

射場 大輔 教授

研究内容

研究
代表者

「サイバー空間とフィジカル空間を高度に融合させたシステムに研究グループのメンバーは、月に１度程度のペースで集まり、導電性インクを樹脂歯車表面に塗布してレーという未来社会「Society 5.0」の実現を目的に、第６期科学技術・ザーで焼結することによって、センサとアンテナ回路をイノベーション基本計画が策定された。情報社会（Society 4.0）

印刷し、スマートギヤを製作する技術を開発してきた。
まの発展により、人と機械を繋ぐ人工知能等の技術が実用化された、歯車に印刷したアンテナと同形状の観測アンテナをたが、機械内部の個々の機械要素から回収される情報は十分でネットワークアナライザに接続して電力を供給し、このアあるとは言えない。厳しい環境で使用され、壊れる可能性が高い

ンテナに隣接させたスマートギヤのセンサの状態を、観機械要素から情報を発 信する技術開発が、より良い未来社会

測アンテナの周波数特性を介して観測する方法を提案「Society 5.0」構築のための鍵となる。

した。
これまでに歯車に発生したき裂がセンサ部回路の例えば歯車は、性能・精度・生産コスト面での優位性から、現在

断線を引き起こし、その影響で観測アンテナの周波数特でも各種機械の動力伝達機構で用いられる代表的な機械要素で性を表すリターンロスに変化が生じることを確認していある。こうした歯車が損傷すると機械は動力を損失することになた。一方で、歯車にき裂が発生する以前から観測アンテ

ける動力の損失は重大な事故につながることから、歯車の健全性た。
このような変化は、
き裂発生などの損傷に至るよりもThe 9 t h Internat ional C onferenc e on
Manufacturing, Machine Design andTribology (ICMDT)およびVDI International
Conference on Gears 2023で研究発表▶ 日本機械学会年次大会で研究発表▶ SPIE Smart Structures and Nondestructive
Evaluation 2024で3月に研究発表予定をモニタリングすることは大きな課題である。近年、自律移動ロ

前から、自己の機能を維持する能力（レジリエンス）がボットやドローンを利用したデリバリーサービスに関連した社会

徐々に低下しており、そうした微小な状況の変化が観測

実験が数多く行われており、近未来を支える新しいシステムとしアンテナ特性に現れていると仮定し、新たな研究計画をて話題となっている。近く本格的に導入されるデリバリーサービ立てた。観測アンテナと磁界結合しているスマートギヤ

スで用いられる自律移動ロボットは、配達物を基地局から各家庭のアンテナは、運転中の摩擦熱による温度上昇、力学的へ配送する際に人々の生活空間内を移動することから、高い安全作用による歯形形状変化と樹脂材料内部の分子構造変性と信頼性の確保が求められることになる。

化が主に関連していると考え、これら熱と力がスマート▶

そこで我々の研究グループでは、自身の完全性を自覚できる機

ギヤシステムに対する影響を明らかにすることにした。

械装置の具現化を目指し、樹脂歯車に導電性インクを直接印刷す

そこで、はじめに樹脂歯車の温度変化がスマートギ

ることによりセンサとアンテナ機能を与え、高速回転中に歯車のヤシステムの周波数特性に及ぼす影響を調べた。
ヒー

掛かった。
これまで行っていた導電性インクのレーザー状態がモニタリングできる「スマートギヤ」を開発している。スマー

ターによって歯車を加熱し、スマートギヤの温度上昇に焼結では製作される回路の特性が安定しなかったた

トギヤに印刷した歯元き裂検知センサが断線するとスマートギヤ

伴い磁界結合中の観測アンテナの周波数特性を測定

め、新しい製作工程としてマグネトロンスパッタリング法のアンテナ特性が変化し、スマートギヤと磁界結合させて観測ア

し、遺伝的アルゴリズムを用いて２自由度の電気回路でによる下地電極の製作、銅メッキによる電極厚みの付ンテナの周波数特性に影響が現れ、歯車の運転中にき裂の有無モデル化したシステムのパラメータを同定した。
この実

与、レジスト材の露光と現像による回路パターンの製作を非接触で検知することが可能である。

験では温度上昇に対する単純な影響のみならず、歯車とエッチングによる不要電極の除去を導入し、それぞれ材料であるナイロンのガラス転位温度を超えると温度の工程における適切なパラメータを実験的に導出した。

上昇に対してアンテナ周波数特性変化の傾向が異なっ

そして歯車性能試験により運転中のスマートギヤの特てくる結果が得られ、樹脂の分子構造の変化が、提案す性変化を計測し、かみ合いによる力学的作用がシステるスマートギヤシステムで捉えられることを示す結果とムに与える影響について調査を開始した。

なった。
次に、運転試験でのばらつきを抑えるために、同じア
き裂検知センサとアンテナを印刷したスマートギヤ

09

スマートギヤの開発

ナのリターンロスに変化が現れてくる現象が生じてい研究実績 04

り、その機能を失う。特に自動車や航空機といった輸送機器にお特筆すべき実績

温度上昇に対するアンテナリターンロスの変化

ンテナ周波数特性を有するスマートギヤの製作に取り

ガラス転位温度におけるアンテナ特性の傾向変化

本年度、研究グループでは、本研究テーマで科学研
究費助成事業 基盤研究BとNSKメカトロニクス技術高度化財団への予算申請を行った。

10

05
研究実績

３Ｄプリンタ積層造形のスキャンストラテジー最適化システムの開発

機械工学系

森田 辰郎 教授

機械工学系

武末 翔吾 助教

機械工学系

坂根 慎治 助教

機械工学系

日本国内では3Dプリンタや積層造形の名称で呼ばれることが多い付加製造（additive manufacturing）は、従来の加工法では

研究成果

研究
協力者

高木 知弘 教授

研究内容

研究
代表者

図2 使用したレーザの走査パターン【数値シミュレーション研究】【実験的研究】

組織予測に関する研究を3つのスケールから行っていレーザ粉末床溶融結合法により造形したマルテンサ

製造不可能な内部構造を有する複雑な製品の造形が可能な最る。最も解像度の高いスケールでは、溶融池底から成長

イト系ステンレス鋼SUS420J2について、スキャンストラ

先端加工技術であり、世界中で活発に研究が行われている。このするセル／デンドライトを再現した。温度場は汎用凝固

テジー
（図2）
と組織形態、硬さ分布および残留応力分布

ような中、2022年度本学が申請した概算要求が採択され、2023

シミュレータであるﬂow-3Dを用いたレーザ走査シミュ

等の基本特性との関係を実験的に調べた。図2（a）で年度中に3Dプリンタが導入されることになった。本設備を、もの

レーションから取得し、組織予測には二元合金の急冷凝は、第1層の全域で走査方向をx方向に固定して折り返づくりのみならず、研究にも積極的に活用するべく、本研究グルー

固に対するフェーズフィールドモデルを採用した。
計算コ

しレーザを走査し、第2層以降でも同じパターンとした。

プを立ち上げた。

ストが膨大となるため、細分化適合格子（AMR）法を複

図2（b）
では、第1層では全域で走査方向をx方向に固定

3Dプリンタは、複雑な構造物を作製可能であるが、材料の溶融数GPU並列計算環境で用いるparallel-GPU AMRを導して折り返しレーザを走査し、第2層ではレーザの走査凝固を伴うため大きな残留応力が発生し、製品の質が低下する課入し、大規模計算を高速化した。中間スケールの組織予方向をy方向に変更した。図2（c）〜（e）では、走査領域

題を有している。また、この残留応力は形成される材料組織に強測では、溶融池内の液相流動の影響を受ける組織予測をチェスボード状の小区画に分割した。各走査パターン

く依存する。さらに、製品の強度に代表される様々な特性は、材料に対するフェーズフィールドモデルを構築した。
ここで、で作製した一辺15 mmの立法体形状試料を用いて、硬さおよび残留応力を測定した。各AM材の硬さは、展伸制御することが重要となる。材料組織は、様々なレーザ走査条件

結晶凝固組織予測を可能とするフェーズフィールドモデ

材（焼入れ・焼戻し材）
よりも高かった。
しかし、すべての武末翔吾助教，公益法人マザック財団 優秀論文賞，2023年5月19日受賞▶ 武末翔吾助教，
日本材料学会関西支部 支部長賞，2023年4月17日受賞▶ 高木知弘教授，
日本計算工学会 川井メダル受賞，2023年5月23日受賞とレーザパターンを意味するスキャンストラテジーによって大きくル、気相と液相で流動を解くNavier-Stokes方程式、熱

AM材の硬さは同程度であった。
その一方で、異なる5種

変化するため、その最適化による材料組織の制御を通じ、残留応伝導方程式を連成させた。最も大きなスケールでは、類のレーザ走査パターンで造形したAM材では、走査パ力を低下させる方向性が極めて重要である。

様々なスキャンストラテジーにおける組織評価を目指す

ターンの変更により残留応力の低減が可能であること

本研究では、高品質な製品を造形するための最適なスキャンス

フェーズフィールド計算法［T. Takaki, Y. Takahashi, S.

が示された。その内、最も残留応力の低減に効果的でトラテジーを導き出すシステム開発を最終的な目的としている。

Sakane, Mater. Trans., 64 (2023) 1150-1159］を開発あったのは、走査領域をチェスボード状に小区画化する

これを達成するために、本学に導入される3Dプリンタを用いた実した。
図1はシミュレーション例である。
双方向スキャンス

とともに、走査方向を交互に変更しながら位置をシフト

験と、高性能数値シミュレーション技術を融合し、3Dプリンタにトラテジーを用い、4トラック・4層のビーム走査を行うシさせた場合であり、走査方向を一方向に固定して全域おける材料開発のマテリアル・デジタルトランスフォーメーション

ミュレーションを行った。図中、くぼんだ領域が溶融池に走査した場合の25%の水準まで低下した。以上のよう（マテリアルDX）を開発することで、スキャンストラテジーをバー対応し、溶融池前方では溶融、後方では多結晶凝固によに、
スキャンストラテジーの工夫により、硬さ水準を維持

チャル空間で最適化する。

る特徴的な組織が形成されていることがわかる。

しつつ、製品の形状変化をもたらしうる残留応力の低減▶

が可能であることが、オーステナイト系ステンレス鋼に関して示された。
なお、本件については日本材料学会誌『材料』に投稿中である。

３Ｄプリンタ積層造形のスキャンストラテジー最適化システムの開発

固気液混相流を表現するフェーズフィールドモデル、多研究実績 05

組織に強く依存する。このため、積層造形時の材料組織を適切に特筆すべき実績【海外における研究活動】
カリフォルニア大学デービス校との共同研究で、3Dプリンタの一種である指向性エネルギ堆積法により造形したステンレス鋼薄板内に生起した残留応力を中性子線により測定し、薄板内の位置によって残留応力の値が変化すること、残留応力は異方性を有すること、
レーザ走査条件が変化することで残留応力分布は変化する
ことを明らかにした。本成果は現在Manufacturing
GPUクラスター

11

図1 双方向スキャンストラテジーによるLetters（IF=3.9）に投稿中である。

４トラック・４層ビーム走査における組織予測シミュレーション

12

06
研究実績

空飛ぶクルマ高精度リアルタイムシミュレーション技術構築

機械工学系

東 善之 助教
機械工学系

ミュレーション技術の構築を進めている。独創的な点はこのフ

研究成果

研究
協力者

山川 勝史 教授

研究内容

研究
代表者

本研究では空飛ぶクルマ（フライングカー）の飛行に関するシ

このデジタルフライングカーはロータの回転により発生する推力と機体にかかる空力との連成計算により機ライングカーの飛行試験をコンピュータ内で全て実施可能とす

体姿勢を算出するものである。本技術構築にあたり、
まるシミュレーション技術であり、本学が商標登録を持つ「デジタず基本動作となる前進、停止（ホバリング）、加減速、旋ルフライングカー」の実現に向けた研究である。一般的にこのよ

回、離着陸についてのシミュレーション技術を完成させ

うな飛行機体に対するシミュレーション技術は、風洞型と呼ばた。特に減速動作（図：減速シミュレーション）についてれる一様流中に機体を設置し評価するものである。この手法では機体の迎角と停止挙動との関係について仮想実験を

は機体が等速直線運動をする場合のみの計算であり、実際の行い、適正な迎角を算出している。
リフトクルーズ型やベ飛行状態を評価できているとは言い難い。これに対して本研究

クタードスラスト型とは異なり、マルチロータ型のフライ

では「移動計算領域法」という特殊な計算手法を考案・採用するングカーでは迎角の最適化は機体の安定性と直接に関た反時計回りのロールを回避するため、対称位置になことで加減速、旋回、離着陸を含むほぼ全ての飛行状態を再現係し重要なパラメータとなっている。
これらを安全に実る右後のロータを停止するものの、左前ロール停止によできるものであり、様々な飛行試験をコンピュータ内で実施する

施できているところに大きなメリットがある。
また非常時る慣性力により、機体の不安定化から墜落に至ってい墜落シミュレーションる。
この問題を解決するため、コンピュータ自身にその置き換えることで、フライングカーに関する様々な開発が可能といてシミュレーションを実施した。本研究では８個ある解決法を考えさせた。
その結果、停止ロータの対称位置

Springerより発刊の“Lecture Notes in Computer
Science”に空飛ぶクルマシミュレーションの研究
成果「Numerical Simulation of the Octorotor
Flying Car in Sudden Rotor Stop」および「Turning Flight Simulation with Fluid-Rigid
Body Interaction for Flying Car with
Contra-Rotating Propellers」
２編掲載（2023年
7月）▶ 東京ビッグサイト “第４回フライングカーテクノロジー” 展にて「空飛ぶクルマ高精度飛行予測技術開発」出展（2023年9月）なる。まず機体開発の期間短縮と低コスト化である。フライング

ロータの内、
１つまたは２つを停止させた。その際、残り

のロータを
「逆回転」
させることを提案してきたのであカーはその歴史が浅いこともあり機種形態が絞られていない、の６つもしくは７つのロータは瞬時に機体安定化への制る。逆回転はそもそも設計思想には無く、逆回転によりつまりあらゆる形状、あらゆる推力システムの検討が要求されて御を実行させ、墜落の防止を試みている。ただ一つの組

逆向きの揚力が発生する保証も無い。本ロータの場合、

おり、それに合わせて開発項目が膨大となっている。つまり、こみ合わせ、同じ箇所の上下２つのロータを同時停止さ逆回転による揚力は正回転の半分程度であるものの、の機体開発のために必要とされるパラメトリックスタディには本せた場合を除き、全てにおいて墜落を回避できた。図

ロールを回避するには十分な大きさであったため、最終シミュレーション技術が最適であると言える。また従来法では（墜落シミュレーション）上段には墜落を回避できなかっ

的に墜落を回避している（図：墜落シミュレーション下表現が困難である強風下の不安定飛行や失速および墜落時のた唯一の事例を示している。この図は左前の上下の段）。今回の試行では墜落を回避する手段を見つけたこ

シミュレーションも可能であり、実験そのものが不可能な状態

ロータを停止したものである。
ロータ停止により発生しとよりも、手動では解決できない制御上の問題を計算▶

での評価および回避のための開発も行うことができる。まさに機が解決するという新たなプロセスを見いだせたこと

夢の計算手法と言える。

に大きな意義があると考えている。人工知能には程遠い稚拙な自動化ではあるが、機体制御におけるAI利用の可能性を見いだせたと言える。本研究の最終目的に空飛ぶクルマ高精度リアルタイムシミュレーション技術構築のシミュレーションとしてロータ停止時の機体挙動につ研究実績 06

ことができる。この実試験をシミュレーションによる仮想実験に特筆すべき実績「リアルタイム」
シミュレーション技術を挙げている。
このシミュレーションは流体計算（圧縮性流体に対する空力計算）がベースとなっており、例えば数分の飛行計算にPC利用では数か月の計算時間を要する。超並列計算やGPU計算により数十〜数百倍の計算の可能性は残るものの、「リアルタイム」とは程遠いものである。現在、
この流体計算を瞬時に終わらせるため「機械学習」による時
短を進めている。研究中につき具体的な手法名は秘匿するものの、２次元計算ではこの「瞬時計算」の目処を空飛ぶクルマシミュレーションのコーディング

13

減速シミュレーション得ている。
続報をお待ちいただきたい。

14

07
研究実績

社会・産業インフラ維持のための自律的サイバーフィジカルシステム

機械工学系

射場 大輔 教授

機械工学系

東 善之 助教
機械工学系

研究成果

研究
協力者

増田 新 教授

研究内容

研究
代表者

少子化による労働人口の急激な減少の影響が顕在化している現（1）
センシングロボット・ドローンのモビリティを向上さ

ラクターの質的変化（分岐）によって損傷による構造物のせる研究、および移動・検査の自律化技術。
前者について変化を検出するネットワーク、
もう一つは、
特定のタスクを放することは、これからの人間社会を健全・幸福に持続させる上では、高所にある配管などの円筒鋼管にドローンが下方か学習する物理リザバーとして動作し、予測誤差の増大に極めて重要な意味を持つ。
本研究グループでは、
情報と物理が本質

ら接近・吸着するための磁気吸着グリッパの開発、
ドロー

よって構造物動特性の変化を検出するネットワークであ的に統合されたサイバーフィジカル結合領域の開拓により、人間をンが垂直壁に前方から接近、速やかに吸着・離脱するたる。
いずれも数値モデルによる概念検証を報告した。

パートナーとして自らを生きながらえさせる自律的・自覚的・自活的めの機体の新規開発を行った。
また、構造物表面に吸着し人工物システム、
いわば自律ロボット化したインフラ人工物、の実現て歩行移動するセンシングロボットの踏破性向上のためを目指し、3つのテーマで研究を行う。

の脚構造の改良を行った。
後者については、
vSLAMを用（1）
物理世界への能動的プローブとしてのいた自己位置推定と対象物およびその表面性状の画像

在にあって、
社会・産業インフラの維持管理を自律化し人手から解センシングロボット・ドローンの自律化技術

マッピング技術を汎用実験機体を用いて開発中。

ドローンやロボットによるインフラ構造物の自動検査を目指すもの（2）
回転機械に組み込まれた機械要素の診断・寿命予である。
永電磁石（EPM）
に関する基本技術（特許公開中）を基盤と測に深層学習アルゴリズムが多用されるようになってい画像検査および接触検査を行う飛行ロボット、および構造物に吸着の個別特性や運転条件へのデータ依存性を上手く取り

学術論文1件（構造ヘルスモニタリングセンサに関するもの）
DOI: 10.3390/machines11080826▶ 国際会議PHMAP2023にて成果発表2件（センサネットワーク・物理リザバーコンピュー
ティングに関するもの）▶ 国内会議発表 5件（センシングロボット、ドローン、深層学習による
診断・予測、
デジタルツインモデルに関するもの）▶ 外部資金（共同研究1件）▶ その他、特許登録、MTA

して歩行移動を行うマイクロセンシングロボットを開発する。

扱うことができない。いっぽうで機械要素に発生する損（2）
デジタルツインによる寿命予測技術

傷モードとその進展機序は組み込み対象や運転条件に産業機械に組み込まれた回転機械要素を対象とした診断・寿命かかわらず共通である。
そこで、データからドメイン依存予測の研究。深層学習によるデータ駆動型アプローチとデジタル性を「剥ぎ取る」ためのデジタルツインモデルを構築し、ツインモデルによる逆問題的アプローチを組み合わせることで、

非線形カルマンフィルタを用いたデータ同化とスパース

対象機械の個別特性や運転条件へのドメイン依存性を除去した

回帰アルゴリズムにより軸受内部の損傷状態を推定する

寿命予測モデルを構築する。

手法を提案、
ベンチマークデータセットおよび2022年度（3）
革新的な高密度センサネットワークに立ち上げた転がり軸受負荷試験装置から取得した

計 測対 象である構 造物自体の弾性 波 動場を情 報 媒体とする

データセットを用いた検証を行った。
今後は、
推定した損

ニューラルネットワークを構成することにより、物理的な配線や無傷状態の進展予測モデルを機械学習アルゴリズムによっ

線通信手段を必要としないセンサネットワークを実現し、構造物て構築する。
さらに、歯車状態監視用のデジタルツインモ

監視点の革新的高密度化への道を拓く。

デルを構築する共同研究を実施中。

▶

（3）
センサ・アクチュエータを持つセンサノードを分散配検査ドローン用エンドエフェクタ

弾性波動場ニューラルネットワーク実験装置

社会・産業インフラ維持のための自律的サイバーフィジカルシステム

るが、それらの多くはドメイン依存性、すなわち対象機械研究実績 07

し、鋼構造物に空中から接近し機体を自動的に吸着固定して近接
特筆すべき実績

置し、これらをニューロンと見立てると、
構造物上に
「寄生
した」
ニューラルネットワークを構築できる。
ニューロンとなるセンサノードは計測した構造物振動波形に非線形な活性化関数を作用させたもので構造物を加振する機能を持ち、構造物の弾性波動場を媒体として相互結合する。
このネットワークはセンサネットワークでありながら、その上である種の演算を行い構造物動特性の変化を検出する判別器として動作する。
2023年度は二種類のコンセプト
構造物検査移動ロボット実験機

15を提案・検討した。
一つは、ネットワークが吸引されるアト垂直壁吸着ドローンの機体設計

16

KYOTOLab fora Greener Future

小林プロジェクトの研究開発概要

ムーンショット型
研究開発事業目標 6

N I S Q（ 中 規 模エラー 訂 正 なし）から F T Q C（ 大 規 模エラー 訂 正あり）へ
FTQC：Fault Tolerant Quantum Computer

シンドローム解析

研究開発
プロジェクト

規模な誤り耐性型汎用量子コンピュータの実現です。本研究開発プロジェ

タートしました。

クトにおいては、上位に位置する中規模量子ビット間の通信ネットワーク、

本研究開発プロジェクトのゴールは、超伝導量子ビットから中性原子ま最上位の量子ビットハードウェアとの組み合わせにより、100 万量子ビッで多岐にわたる量子ビット実現方式にアジャイルに対応するエラー訂正シトまで対応可能なエラー訂正システムならびに量子ビット制御装置を実

ステムの実現と、超伝導量子ビット向けの小型かつ省電力な量子ビット制

現可能とする技術の研究開発を行います。

9U

FPGA /ディスクリート部品で構成

量子ビット
制御装置

Room
Temperature

マイクロ波(フロントエンド)
専用SoCによる
小型省電力化

70K

光集積回路・CryoC M O S 集 積 回路
による常温低温間
配線の細線化

4K

0.8K

16超伝導Qubit

100~1000
超伝導Qubit

10mK

研究推進者一覧
目標達成に向けたムーンショット目標6の研究開発の全体像

佐野 健太郎門本 淳一郎

長名 保範

三好 健文

集積回路・
パワーエレクトロニクス

計算機アーキテクチャ

プロセッサ設計

FPGA間高速通信

量子ビット制御装置

塩見 準

新谷 道広

佐藤 高史

土谷 亮

髙井 伸和

光集積回路

トランジスタモデル生成

設計技術

CMOS RF回路

機械学習を使った
アナログ回路自動設計

宮原 正也

今川 隆司

岸田 亮

五十嵐 正利ディジタル回路のRTL設計

ディジタル回路のレイアウト設計

微細アナログ
CMOS設計京都工芸繊維大学・教授

2050 年までに、経済・産業・安全保障を飛躍的に発展させる
誤り耐性型汎用量子コンピュータを実現

大阪大学・准教授

大規模化を達成し、誤り耐性型汎用量子コンピュータの実現

高エネルギー加速器研究機構・准教授
CMOS高速アナログ回路

理研・チームリーダー

京都工芸繊維大学・准教授

明治大学・助教

研究開発項目1 エラー訂正バックエンド

一定規模のNISQ量子コンピュータの開発と量子誤り訂正の有効性実証

ネットワーク
量子メモリの開発、光子と量子メモリ間の量
子インターフェース技術の確立や量子中継器・量子通信システム・テストベッド構築など

・光源や検出器

・量子中継器・量子メモリ・量子通信システム・量子インターフェース技術 ・テストベッド構築

ハードウェア

ソフトウェア

量子誤り訂正システムの設計・実装、量子ビット・量子ゲート基盤の確立など

ステージゲート

実現可能性・将来性のある物理系を見極める
超電導

イオン
トラップ

光量子

半導体

原子
など

17

○理論・ソフトウェア○誤り訂正システム
低オーバーヘッド量子誤り訂正符号や量子アルゴリズム、誤り訂正システムの開発など
・量子誤り訂正理論
・ミドルウェア、コンパイラー
・アルゴリズム、アプリケーション
・誤り訂正システム

京都大学・教授

富山県立大学・講師

熊本大学・准教授

滋賀県立大学・准教授

キュエル・CTO

京都工芸繊維大学・教授

株式会社ソシオネクスト

5つの研究開発項目とその概要

分散処理型NISQ量子コンピュータの実証 量子誤り訂正下での有用タスク計算

NISQ：Noisy Intermediate-Scale Quantum

東京大学・助教

研究開発プロジェクト

小林 和淑

ムーンショット型 研 究 開 発 事 業 目 標 6

ト型研究開発事業」目標 6 に採択され、本プログラムを 2022 年度からス

FPGA/専用SoCによるスケーラビ
リティの確保

希釈冷凍機

御装置の実現です。本ムーンショット目標 6 の 2050 年までの目標は、大エラー訂正
バックエンド

量子ビット
制御装置

スケーラブルな高集積量子誤り訂正システムの開発

国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）が推進する「ムーンショッ

実装予定量子コンピュータ構成案

既存量子コンピュータ構成

概要：Qubit数に対してスケーラブルな
エラー訂正バックエンドシステムの研究開発を行う
課題推進者 ：佐野 健太郎（理化学研究所・チームリーダー）
門本 淳一郎（東京大学・助教）
長名 保範（熊本大学・准教授）
研究開発項目2 量子ビット制御フロントエンドの先鋭化

概要：ディジタル信号処理の活用とシステムのSoC化により既存のフロントエンドの性能向上と小型化を図る
課題推進者 ：三好 健文（キュエル株式会社・CTO）

研究開発項目4 フロントエンド・バックエンドのASIC/SoC化

概要：ASIC/SoC化によりフロントエンド・バックエンドを低電力、省面積化し、装置の小型化を図る
課題推進者 ：小林 和淑 プロジェクトマネージャー(京都工芸繊維大学・教授)
土谷 亮 (滋賀県立大学・准教授)
髙井 伸和 (京都工芸繊維大学・教授)
宮原 正也 (高エネルギー加速器研究機構・准教授)
今川 隆司（明治大学・助教）
岸田 亮（富山県立大学・講師）

研究開発項目3 光/Cryo CMOS集積回路による研究開発項目5 常温で動作する

概要

概要

スケーラブルな古典-量子インターフェース：極低温領域で動作する光/CMOS集積回路でスケーラブルな古典-量子インターフェースを実現する
課題推進者 ：塩見 準（大阪大学・准教授）
新谷 道広（京都工芸繊維大学・准教授）
佐藤 高史（京都大学・教授）

フロントエンドアナログRF部のLSI化：フロントエンドアナログRF部の主要な機能ブロックを
微細CMOSデバイスで設計し、TEGを試作、評価、課題抽出を行い、実現性を踏まえた統合化の設計指針を確立する
課題推進者 ：五十嵐 正利 (株式会社ソシオネクスト)18