SIPMI プロジェクト，これまでとこれから
出村雅彦 小関敏彦


る研究開発のねらいについて概観する．さらに，国際的な状

.

は じ

めに況を俯瞰した上で，開発するシステムを産学官の連携のためのプラットフォームとする考え方を提案する．

社会課題の解決に果たす材料の役割はますます大きくなっている．例えば，エネルギー・環境分野では，輸送機器や発.

マテリアルズインテグレーション(MI)の考え方

電機器のエネルギー効率の向上， CO2 排出量の低減のために，軽く，強く，熱に耐える革新的な構造材料が求められ，材料の研究開発は，プロセス，組織(構造)，特性，性能と要求される性能は年々，高度になっている．厳しい環境で長いう 4 要素の連関をつけることで行われてきた．マテリア

時間使用される構造材料は，信頼性を担保するための実験検

ルズインテグレーションは，実験，計算，理論，データ科学証が必要で，開発は長期に渡る．ミクロ組織という非平衡状を融合し，計算機上で材料の 4 要素の連関をつけ，プロセ態を制御することの難しさも，研究開発が長期化する背景にスから性能までを一気通貫に予測することで，材料開発を加あるだろう．社会からの要請にいち早く応えるためには，研速するという考え方である．インテグレーションという言葉

究開発手法の刷新が求められている．特に，計算機の能力のには，全てのメカニズムを理論的に解き明かすことができな

飛躍的な向上，材料研究における計算科学の充実と広がり，い中であっても，使えるものは全て使って工学的に役立つ手

さらに，最近のデータ科学の急速な発展を念頭に置くと，こ法を構築するという思いが込められていると，筆者は理解しれらサイバー空間の技術を取り込むことで，研究開発を加速ている．例えば，溶接部を含む耐熱部材のクリープ性能(寿していくことが期待される．

命や損傷箇所)を予測したいと考えてみよう．溶接というプ

このような認識のもと，材料開発をサイバーとフィジカルロセスには解明できていない点がまだまだあるものの，母材の融合で行う統合型材料開発システムが内閣府総合科学技が経験する熱履歴は現象論的モデルに基づく熱伝導解析によ術・イノベーション会議によって提案され，Society 5.0を支って計算することができる．そして，現象論モデルに含まれえるサブシステムとして取り上げられた(統合型材料開発シるパラメータは，温度計測や溶接部マクロ組織の観察によっ

ステムについては文献(1)(2)を参考のこと)．これに先立つ形て得られた実験データに対して合わせ込むことでより妥当なで，内閣府 SIP(戦略的イノベーション創造プログラム)「革値を推定することができ，例えば，熱影響部のマクロ組織形新的構造材料」においてマテリアルズインテグレーションと状の予測に必要なモデルの精度を確保することは十分に可能いうコンセプトが打ち立てられ，基盤となるシステムの開発である．同様に，クリープ現象についても，これまでに提案が組織的に行われてきた．さらに，第 2 期の SIP では，逆されているクリープ変形や損傷に関するモデルとデータベー問題マテリアルズインテグレーションを中心テーマとしたスから同定したモデルパラメーターを使用することで，数値「統合型材料開発システムによるマテリアル革命」が課題設

シミュレーションによって部材全体のクリープ損傷を計算で定され，材料開発手法の刷新を目指して事業が開始されていきる．これらを図に示すように組み合わせると，全体としる．て，溶接条件から，熱影響部のマクロ組織形状の推定を経本稿では，マテリアルズインテグレーションの考え方をまて，部材のクリープ損傷を予測できることになる．溶接やクとめ，引き続いて，第 1 期 SIP の成果と第 2 期 SIP におけ

リープ損傷を模擬する数値シミュレーションに，データベー

国立研究開発法人 物質・材料研究機構 統合型材料開発・情報基盤部門(MaDIS)，副部門長(〒3050044 つくば市並木 11)
東京大学教授(現 京都先端科学大学教授)
SIPMaterials Integration Projects; Masahiko Demura, Toshihiko Koseki(Research & Services Division of Materials Data andIntegrated System (MaDIS), National Institute for Materials Science, Tsukuba. The University of Tokyo, Tokyo (Present: Kyoto
University of Advanced Science, Kyoto))
Keywords: materials integration, structural materials, integrated computational materials engineering, modules, workflow, data schema,systems approach, data science, inverse design
2019年 4 月23日受理[doi:10.2320/materia.58.489]

ま て り あ 第58巻 第 9 号(2019)
Materia Japan

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第 1 期 SIP「革新的構造材料」における研究開発の概要

SIP「革新的構造材料」の研究開発項目としてマテリアルズインテグレーションが設定され， 2014 年度から 5 年間，取り組まれた(プログラムの詳細は，JST のホームページ(3)図1

溶接部を含む耐熱構造部材のクリープ損傷性能を予測するためのワークフロー．

を参考のこと)．図に本プロジェクトの概要をまとめた．
東京大学及び物質・材料研究機構(NIMS)を中心に14の産学官の機関が参画して行われてきた(4)．マテリアルズインテグ
レーションを具体的に実現するためには，様々な手法をモジスからモデルパラメータを抽出するためのデータ科学手法をュールとして計算機上で実装し，これらを自在につなぎ合わ組み合わせるなど，様々な手法を自在に統合(インテグレーせるための仕組みが必要という仮説のもと，材料開発専用のト)することで，プロセスから性能までを予測することがでシステムが開発されることになった．また，構造材料にとっきるようになる．これが，マテリアルズインテグレーションて組織が重要な要になることと，疲労やクリープ等の時間にの根幹にある考え方である．

依存する性能を重視する観点から，組織予測と性能予測が研マテリアルズインテグレーションの特徴はシステム的なア究開発テーマとして設定された．さらに，データ科学の活用

プローチと予測の実効性を上げるためのデータ科学活用にあを加え，以下の 4 つのテーマ構成・ユニット体制で開発をる．システム的なアプローチによって，対象とする材料開発行ってきた．すなわち，組織予測，性能予測，特性空間分析の中で，どの部分の基礎的な検討が急がれるのかという見通(データ科学活用)，統合システムである(図 2)．

しを持つことができる．これは，基礎研究を担当するセクタ開発を進めるにあたり，鉄鋼溶接部の疲労，クリープ，脆ー(大学・国研等)と材料の実用化を担当するセクター(企業)

性破壊，水素脆化が例題として設定され，さらに，これらのとの有機的な連携に役立つ．また，第 2 の特徴であるデー成果がアルミニウム合金，チタン合金等に展開された．鉄鋼

タ科学の活用によって，貴重で高コストな実験から生まれるは様々な変態・析出を高度に組み合わせた組織制御によってデータを有効に，また，合理的に活用する道が開かれる．

性能が引き出されている点で，最も難しい対象であり，これが取り扱える枠組みであれば，広範囲の材料に展開できることが期待できる．また，溶接プロセスは様々な熱サイクル中

図2

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第 1 期 SIP「革新的構造材料」におけるマテリアルズインテグレーションシステムの開発プロジェクトの概要．

ミ ニ 特 集の凝固，変態，組織形成を含むため，この問題を扱う枠組みマテリアルズインテグレーションが活用されることであり，であれば金属材料における熱処理プロセス全般を扱うことがこれによって社会を変革する革新的な材料が次々と開発されできる．このように，汎用的に使用できることを念頭に置きるという将来像を目指すことになる．このような背景のもつつ，具体的な例題によって概念実証(proof of concept)すと，第 2 期 SIP において「統合型材料開発システムによるることが，第 1 期 SIP における開発の目標であった．

マテリアル革命」(以下，「マテリアル革命」という．）が課題

実質的に 4 年半の研究開発の成果として，統合システムとして設定された． 2018 年 11 月には研究開発課題および研が完成し，モジュールを自在に接続するための仕組みが整え究責任者が採択され， 2022 年度末までの 5 年間の予定で研られた．組織予測や性能予測のためのモジュールが120個以究開発が開始された(5)．

上開発され，これらをつなぐワークフローも100以上が，統社会実装の鍵となるのが，逆問題への対応と先端構造材合システム(通称 Mint システム)に実装されている．特性空料・プロセスへの展開である．まず，逆問題への対応につい間分析においては，データ同化やモデル選択といった重要なて説明する．企業においては，社会(材料ユーザー)からの要データ科学手法の開発が進み，その成果は Mint システムか請に応えて目標となる性能要求が設定され，これを達成できら利用できるライブラリーとして実装されている．また，鉄る新しい材料やプロセスを研究開発するという，まさしく逆鋼材料を中心として発刊された各種のデータシートを収集，問題に常に取り組んでいる．つまり，設定した性能目標かデジタル化し，20000点以上のデータポイントを有するデーら，最適な材料・プロセスを導き出すための道具が求められタベースを構築した．これらの成果物を用いることで，プロていると言える．従って，マテリアルズインテグレーション

セスから性能を一貫予測できることが例題を通して示され，が企業の研究開発の現場で活用されていくためには，日々取マテリアルズインテグレーションの概念実証という目標が達り組まれている逆問題に役立つことを実証していく必要があ成されたと言える．各テーマにおける成果については，本ミる．そのような認識に立って，逆問題マテリアルズインテグ

ニ特集に収録されている記事を参考にしてもらいたい．

レーションの開発が課題として設定された．
図に逆問題マテリアルズインテグレーションの開発コン

.

第 2 期 SIP「統合型材料開発システムによるマテリアル革命」における研究開発セプトを示す．従来は実験で検証を行っていたために試行錯誤の回数が制限され，そのために試行錯誤の範囲も限定的なものとならざるを得なかった．マテリアルズインテグレーシ

Mint システムが1.0として完成を迎え，マテリアルズイン

ョンを活用した新しい開発手法では，試行錯誤を実験から計テグレーションの概念実証が達成されたことを受け，社会実算機上へと置き換え，試行錯誤のコストを大幅に低減する．

装に向けた研究開発というステージに進むことができるようその上で，さらに，データ科学を活用して，効率的かつ網羅になった．ここでいう社会実装とは企業の研究開発において的な試行錯誤によって，これまで見落としていたより最適な図3

第 2 期 SIP における逆問題マテリアルズインテグレーションの考え方．

ま て り あ 第58巻 第 9 号(2019)
Materia Japan材料やプロセスをいち早く提案できるようになる．
社会実装する上でもう一つ重要な点は，適用できる材料・プロセスの拡大である． Mint システムそのものは汎用的に作られているが，実際に様々な材料・プロセスの問題を解いていくためには，その対象を取り扱うためのモジュール，ワークフローの開発が必要となる．適用していく対象としては，我が国が材料上の強みを持つものであって，かつ，材料開発期間が長期化する傾向のある航空機や発電向けの先端的な構造材料及びプロセスを取り上げている．金属系では，航空機エンジンや発電向けタービンに使用される部材に粉末プロセスの適用が始まりつつあることに注目し，耐熱金属材料の粉末プロセスに対応できる逆問題マテリアルズインテグレ

図4

材料の実問題に対応するための計算材料学的なアプローチの国際的な比較．

ーションを開発する．具体的には，三次元積層造形プロセス，粉末冶金・鍛造プロセス等である．第 1 期で開発した鉄鋼向けの数多くのモジュールを有効活用することで，十分な計算手法をモジュールとして取り扱った上で，それぞれをに，これらのプロセスに対応できるものと考えている．これ接続して複雑な材料問題に対応するという考え方に立っていに加え，我が国が強みを持つ炭素繊維強化プラスチックる．類似の取り組みとして，米国ミシガン大学の(CFRP)についても，マテリアルズインテグレーション技術

PRISMS(7)，ドイツ・ルール大学ボーフムの ICAMS(8)，米を開発することになっている． CFRP では，量子化学計算

国 ベ ン チ ャ ー の QuesTeK(9) ， フ ィ ン ラ ン ド の 研 究 機 関から，高分子の相分離というメゾスケール計算，さらには，VTT で 開 発 さ れ て い る ProperTune(10) な ど が あ る ．

繊維を含めた構造体の力学特性に関する予測技術などのシー

PRISMS や ICAMS は用意されている特定のつなぎ方に限ズ技術を活かして，分子レベルから構造体までをつないで，定され，自在な接続は企図されていない．そのため，それぞCFRP の開発に役立つ計算ツール群を構築していく．

れのモジュールの接続は手動である． QuesTek と Proper-

逆問題マテリアルズインテグレーションの開発における課

Tune は一般ユーザーの使用が想定されておらず，実際にど題を 4 つ指摘しておきたい(図 3)．まず，データ科学を適用のような仕組みで複数のモジュールの接続がなされているかした逆問題事例の創出が重要となる．最適化したい材料・プは不明である．ただし，基本的に材料開発や材料課題の解決ロセスの因子から目的とする性能までを予測するための順方を請け負うための自社内，組織内で使用するツールとして開向計算のワークフローをできるだけ早く通し，データ科学の発されていることから考えると，自動的な接続を実現するシ

様々な手法の適用を急ぐ必要がある．次に，精度が高く精緻ステムをコストをかけて開発する動機付けは乏しく，開発者なモデル構築が重要となる．考慮していない因子は最適化のがその時の必要に応じて手動で接続しているものと推察され対象にはできないので，考えうる因子を可能な限り取り込んる ． こ の 他 に ， EU の コ ミ ュ ニ テ ィ ( EMMC,EuropeanCouncil(11))を中心として，ファイル形だモデリングが望まれる．さらに，最適化計算を自動化できMaterials Modeling

るように Mint システムを改良する必要がある．また，企業式を標準化してモジュール間のデータの受け渡しを容易にす

内部で独自にデータを活用できる仕組みも重要であり，あるるという発想の活動が行われている．実際には，対象とする逆問題を解くときに必要な標準的なデータの記述の仕方を設

材料課題ごとに扱うデータの種類が変わるため一般化が難し計することで，企業内データの利活用が促進されると考えてく，なかなか標準化が進んでいない．これらモジュール同士いる．

を対等な関係で接続していく発想の他に，特定のソルバーをなお，「マテリアル革命」全体の構成は，逆問題マテリア中心において，これに対してサブルーチンを接続し，複雑なルズインテグレーションを開発する A 領域， CFRP に展開材料課題に対応するという戦略もある．具体的には，有限要する B 領域，耐熱金属・セラミックスに展開する C 領域と素解析によるマクロな力学計算を中心に据え，ミクロ組織をなっている(6) ． A 領域は， NIMS と東京大学を中心に 28 の計算するメゾスケールのサブルーチンを組み込むことで，例産学官の機関が連携して開発を行う．

えば，鍛造による材質予測を実現するような試みである．これは，特定の問題を解決する方法としては優れたアプローチ

.

世界の状況と Mint システムの位置付けであり，開発や計算の効率も良いと考えられる．ただし，中心とする計算手法によって解ける問題が限定されるため，汎サイバー空間で材料を開発していこうという動きは，世界用性が高いとは言い難い．このように俯瞰してみると，的にも活発である．実際の複雑な材料問題(実課題)に対応す

Mint システムは，自動で自在に接続できる仕組みを実現しるためにマルチスケール・マルチフィジックスにどう取り組ているという点で，世界的にみてユニークであると言える．

むかという観点を縦軸として，世界的な取り組みを整理したものが図である．SIP で開発した Mint システムは，様々ミ ニ 特 集

社会実装に向けた開発が進められている．開発された Mintシステムは世界的に見ても大変ユニークなものであり，我が国の産学官連携のプラットフォームとして発展することが期待される．そのためには，SIP の枠を超えて，マテリアルズインテグレーションを活用する研究開発が進んでいくことが望まれる．本稿が，そのための一助となれば幸いである．
本研究は，内閣府総合科学技術・イノベーション会議の戦
図5

産学官連携のプラットフォームとしての将来像．

略的イノベーション創造プログラム(SIP)「革新的構造材料」及び「統合型材料開発システムによるマテリアル革命」(管理法人 JST )によって実施されました．ここに感謝申し上げます．

.

将 来展

望

マテリアルズインテグレーションは材料開発を加速させる道具であると同時に，産学官連携のプラットフォームとしても機能することが期待される．図に将来像を描いてみた．
イノベーションの実現にはニーズ駆動型の研究開発を産学官で行うことが重要と考えられるが，この研究開発の成果をモジュールやワークフローとして企業内で活用できるようにすることで，製品化に向けた開発が加速される．あるいは，シーズ駆動型の研究を実用化につなげる際にも， Mint システ
ムは役立つと考えられる．例えば，大学・国研で材料に関する新しい発見がなされた場合，この研究に基づくモジュールを Mint システム上に実装することで，企業はいち早くその成果をサイバー空間上で応用研究の中に組み入れることができる．そして，これらの研究開発成果がモジュール，ワークフローとして蓄積されていくことで Mint システムで扱える対象が拡大し，引き出せる答えの質が高まっていく．このように，個々の材料開発に役立てながら成果をサイバー上に集約していくことで我が国の材料の研究開発力を底上げする，そういうプラットフォームとして，この Mint システムを位置づけることが可能である．そのためにも， Mint システム

文献( 1 ) 出村雅彦まてりあ，58(2019), 155.
( 2 ) 出村雅彦第70回白石記念講座，70(2018), 25
42.
( 3 ) http://www.jst.go.jp/sip/p05/index.html( 4 ) 小関敏彦溶接学会誌，86(2017), 1215.
( 5 ) https://www.jst.go.jp/pr/info/info1344/index.html( 6 ) http://www.jst.go.jp/sip/p05/index.html#cate2( 7 ) http://prismscenter.org/#/home( 8 ) http://www.icams.de/content/( 9 ) https://www.questek.com(10) https://www.vttresearch.com/services/smartindustry/ factory of the future ( 2 )/ vtt propertune for optimal material design(11) https://emmc.info★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
出村雅彦
1995年 東京大学大学院工学研究科修士課程修了
同年 科学技術庁金属材料技術研究所研究員(現 物質・材料研究機構）
2003年 博士(工学），東京大学
2014年 内閣府総合科学技術・イノベーション会議出向
2015年 東京大学先端科学技術研究センター特任教授
2017年より現職
専門分野マテリアルズインテグレーション，材料データ科学，構造材料，金属間化合物◎システム的アプローチとデータ科学を材料研究に活用する試みを進めています．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

を活用するための体制や仕組みの議論が急がれる．

.

お わりに

本稿では，SIP で提案され，開発が進められてきたマテリアルズイングレーションについて，現在地点を俯瞰した．第1 期 SIP において概念実証がなされ，第 2 期 SIP において

ま て り あ 第58巻 第 9 号(2019)
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出村雅彦

小関敏彦

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