2023 年 2 月 7 日
2022 年度 情報理工学研究科 情報・ネットワーク工学専攻

CS プログラム 修士論文最終発表会

スマートフォンによるマイクロマグネティクスのゲーミフィケーション
情報理工学研究科

1

情報・ネットワーク工学専攻

はじめに
マイクロマグネティクスは磁性体内部に現れる原子磁気モー

成見研究室

学籍番号：2131170

3

既存研究

3.1

Foldit涌井桐哉

メントの動力学を扱う物理学の一分野であり，ハードディスク

Foldit はワシントン大学で開発され 2016 年にリリースされのヘッドや MRAM (磁気抵抗メモリ) のシミュレーションなたタンパク質の構造予測を行うコンピュータパズルゲームであどに応用される．原子磁気モーメントは磁力の大きさとその向る．同学の Firas らはプレイヤーの解答の中に当時未発表であっきをもつベクトル量であり，原子中の電子の回転運動によってたアルゴリズムと酷似し，過去の方法を凌駕するものがあった発生する．原子磁気モーメントは Landau-Lifshitz-Gilbert 方と報告した [2]．ゲーミフィケーションによってプレイヤーの理程式 (以下 LLG 方程式と表記) にしたがって動く:解だけでなく分野の発展も促進した一例である．科学的シミュ

レーションをゲーミフィケーションの対象としている点で本研−̇
→−→ −→→ −̇→α −M = −γ(M × H ) + −(M·M),(1)→
究と似ている．
∥M ∥3.2 高速フーリエ変換を用いた高速化−→ −̇
→ −→−→
ここで M ，M ，H はそれぞれ原子磁気モーメント，M の時間
Samuel らは Nvidia 社製の GPU を用いて高速フーリエ変換微分，実効磁界を表し，γ と α はそれぞれ磁気回転比，損失定（以下 FFT と表記）と通常の計算で静磁界の計算を行い，そ数と呼ばれる定数である．の速度の差を比較した [3]．GPU は CUDA という Nvidia 社
数式だけでは原子磁気モーメントを理解するのは困難なたの開発した言語で GPGPU に最適化されており，FFT を用いめ，これまで多くのマイクロマグネティックシミュレーション
た場合最大で約 54 倍高速化できることが分かった．CUDA は(以下 MMS と表記) の可視化がなされた．特に李はゲームエンNvidia 社以外の GPU に適用できない欠点があるが，本研究でジン Unity を用いた MMS の可視化を行い [1]，GPU の種類にはその制約が無い．
とらわれないシミュレーションを行った (図 1)．しかし式 (1)→−→−→−中の実効磁界 H は実際には外部磁界 H EXT ，異方性磁界 H A ， 3.3 Unity を用いた MMS の可視化→−→−
李 は ゲ ー ム エ ン ジ ン Unity の ComputeShader と い う
交換磁界 H E ，静磁界 H D の 4 つで構成されており，初学者にはどの磁界がどれほど影響するのか，図 1 を見ただけでは分GPGPU 機能を用いて MMS の高速化を行った [1]．CUDA とからない．したがって MMS をゲーミフィケーションし，その同様の機能を持つが GPU のベンダーの制限が無い．

中で段階的なシミュレーションを行うことで理解を深めること4ができると考えた．

2

ゲームの概要本研究では李の先行研究を元にゲーミフィケーションを行っゲーミフィケーションた．原子磁気モーメントの計算や可視化部分は李のシステムをゲーミフィケーションとはゲーム化すること，つまり既存の改良したものを用い，それにゲームシステムを組み込んだもの

物事にゲーム的要素を加えることにより，能動的に人を行動さが本研究の成果物となる．ゲームのコンセプトは「ゲームオーせる仕組みのことである．人は楽しいことに関しては自分かバーにならないよう外部磁界を操作し，磁気モーメントたちをら進んで取り組むが，そうでないことに関しては取り組むこと特定の方向に向かせる」とし，入力にジャイロセンサと画面のが難しい場合がある．したがってゲーミフィケーションとはこタッチを用いた．プレイヤーはゲーム画面 (図 2) に表示されるれを改善するモチベーションマネジメント手法となる．特に学ミッションに従い，原子磁気モーメントをその方向に向かせて習はモチベーションの維持が課題であるため，ゲーミフィケースコアを稼ぐ．なお，ゲームオーバーになる条件は「残り時間ションと組み合わせることは効果的だと考える．

が 0 になる」「ミッションを n(1〜5) 回失敗してしまう」「HPが 0 になる」の 3 つであり，ゲームオーバー時のスコアによってプレイヤーのランク付けがなされる．ステージは難易度に分けてステージ 0 からステージ 3 までの 4 つを設けており，数字が大きくなるほど実効磁界が複雑化していく (表 1)．
表 1: ステージと実効磁界

図 1: 原子磁気モーメントの集合1図 2: ゲーム画面

図 4: CPU と GPU，直接法と FFT 間の速度比較高速化ができなかったためスマートフォンでプレイする際に処理が遅くなってしまったことに起因している．

5.2

高速化

図 4 は PC とスマートフォンの CPU/GPU 及び FFT を用いた際の計算速度を比較したものである．PC では GPU を用いて計算した方が速くなる一方，スマートフォンでは CPU を用いて計算した方が速くなった．ここで両デバイスの CPU にFFT を施した PCCPUFFT とスマホ CPUFFT を見ると FFT

図 3: ゲーミフィケーション 6 要素のアンケート結果

適用前よりも高速化されていることが分かる．しかし精度が不足する結果となったため更なる改良が必要である．

5

評価

5.1

ゲーミフィケーション

6

おわりに
本研究では初学者のマイクロマグネティクスの理解促進を

被験者 5 名に 20 分程ゲームをプレイしてもらい，その後「マ目的としゲーミフィケーションを行った．また PC とスマート

イクロマグネティクスに関する理解度とゲーミフィケーション

フォンの性能差の改善を目的とし FFT を用いた CPU による度合を測るテスト及びアンケート」に回答をしてもらった．

静磁界計算の高速化を試みた．ゲーミフィケーションにおいてテストは選択式 6 問，記述式 1 問の計 7 問とし，外部磁界とは多くの課題を発見したものの，「プレイヤーを楽しませる」と異方性磁界に関する問題を各 2 問，交換磁界に関する問題を 1いうゲーミフィケーションで最も重要な目的を達成できた．高問，静磁界に関する問題を 2 問 (選択・記述各 1 問) 出題した．

5 名とも選択式 6 問のうち 5 問以上正答したが，特に静磁界に速化においては GPU およびゲームに適用することができな
かったが，CPU で一次元ではあるが FFT による高速化に成関する選択問題で誤答が多く，2 名しか正答することができな

功し中精度でシミュレーションすることができた．

かった．この原因としてジャイロセンサによる操作の困難性が今後は操作性の向上や難易度の調整，FFT をゲームに適用挙げられ，過半数以上のプレイヤーがこれによってステージ 0し高速化を行うことが必要である。

あたりで苦戦し，ステージ 3 までプレイすることがあまりでき参考文献なかったからではないかと考えられる．

[1] 李 嘉慶, Unity によるマイクロマグネティクスシミュレーショ
ンのリアルタイム可視化, 電気通信大学情報理工学研究科成見研 修士論文, 2022

アンケートは，本ゲームがゲーミフィケーション 6 要素 [4]にどれだけ則ったものであったかを各要素ごとに 5 段階で評価してもらった (図 3)．概ね肯定的な評価を得られた一方，「即時[2] Firas Khatiba, Seth Cooperb, Michael D. Tykaa, Kefan Xub,Ilya Makedonb, and Zoran Popovićb and David Baker, Alのフィードバック」や「達成可能な目標設定」で否定的な評価
gorithm discovery by protein folding game players, PNAS,があったり「独自性の歓迎」で評価が二分することも起こった．
vol.108, no.47, pp. 18949–18953, November 11, 2011

原因として前述した操作性の他に外部磁界と原子磁気モーメン[3] Samuel W. Yuan and H. Neal Bertram, Fast Adaptive Algorithms for Micromagnetics, IEEE TRANSACTIONS ON
MAGNETICS, vol.28, no.5, pp. 2031-2036, SEPTEMBER,
1992

トの変化速度が挙げられる．外部磁界はステージ 2 まで前回のミッションの状態を引き継ぐため，事前に手動で 0 ベクトル状態に戻しておかないと次のミッションに間に合わない仕様に[4] 日本ゲーミフィケーション協会, ゲーミフィケーション 6 要素,
https://www.jgamifa.jp/6elements(最終アクセス日：2023 年 1 月 26 日)

なっている．また，ステージ 3 は静磁界の影響が強いためミッションの終了ごとに自動で外部磁界が 0 ベクトルになるようにしていたが，これによって難易度が逆転してしまった．原子磁気モーメントの計算は李のシステムをそのまま使用しており，

2