SDGsの分類 研究テーマ 自然科学 学科の分類 工学部一般教育科 第一原理計算で解き明かす原子核の姿 工学部 一般教育科 核物理研究室 明孝之 准教授 原子核分子動力学第一原理計算 元素の源となる原子核は陽子と中性子から構成され、それらの間に作用する「核力」によって結合します。核力はパイ中間子とよばれるミクロな粒子を陽子と中性子の間で交換することにより生じます。本研究では、この特徴を持つ核力が原子核の性質にどのような影響を与えるのか調べています。 背景と目的 原子核は、構成粒子である陽子と中性子(核子とよばれます)の間にはたらく核力によって結合する量子多体系です。核力は、湯川秀樹氏によって提唱された「パイ中間子」とよばれる粒子を核子間で交換することで説明される、とても強い引力です(図1)。本研究では、このパイ中間子を起源とする核力が原子核の構造に与える影響を調べています。特に核力をそのまま用いて原子核の構造を調べる「第一原理計算」を数値的に行っています。原子核の第一原理計算は世界中で精力的に行われていますが、核力の扱いは一般的に難しいため、結果は炭素12(陽子6個と中性子6個)までにとどまっています。原子核は300個程度の質量数(陽子と中性子の数の総和)まで存在しますが、重い原子核は最先端の理論でも計算が不可能であり、代わりに現象を再現するモデル化が導入されています。したがって、より大きな質量数を含めた原子核全体の性質を、その結合の基本原理である核力から解き上げ、解明することは原子核物理の大きな目標となっています。 図1: 陽子と中性子間のパイ中間子交換の概念図 内容 本研究では核力を扱う新しい原子核の理論を提唱しています。原子核を記述するためのベースとなる模型には「分子動力学」(Molecular Dynamics, MD)を用います。この理論では、陽子と中性子がパイ中間子を交換することで生じる特徴的な引力である「テンソル力」(非等方性をもつ)に注目し、原子核の内部でテンソル力の効果を受けた陽子・中性子の運動を適切に記述します。実際に小さな質量数の原子核に適用し、精密計算を再現することを確かめました(図2)。今後はこの新理論をより重い原子核へ適用することで、核力から原子核を理解し、さらに原子核自身の新奇な構造を探っていく予定です。 図2: 新しい原子核理論「TOAMD」によるHe原子核の結合エネルギーの収束計算 新規性 本研究ではパイ中間子の交換から生まれる核力の特徴である「テンソル力」を扱う原子核の理論を構築しています。核力を直接扱う理論は一般的に質量数が小さい原子核に制限されます。一方、本研究の理論ではテンソル力の効果を効率的に取り入れる工夫がなされており、より大きな質量数への適用が可能であると見込まれます。原子核の形は球形だけはなく、例えば変形したり、複数のα粒子(He原子核)に分離した分子的な状態も存在します(図3)。特に分子的状態は恒星内部における元素の生成過程の理解に重要です。本研究では、核子(陽子、中性子)をガウス関数型の波束で表した分子動力学(MD)を用います。核子を表す波束が近づいたり離れたりすることで、分子的な状態の原子核を容易に記述することができます。 図3: 炭素12(12C)が励起した3α状態(ホイル状態という)の概念図 用途・効果 原子核物理学:量子多体系である原子核の構造を、核力を用いてより基本的な観点から解明します。多体基礎理論:物理学や化学等の分野で扱う多粒子系の現象において、粒子間にはたらく多体相関を記述する基礎理論の発展につながります。 研究者INFO: 工学部 一般教育科 核物理研究室 明孝之 准教授 研究シーズ・教員に対しての問合せや相談事項はこちら 技術相談申込フォーム
和田 英男 赤外線スマートウィンドウの研究 地球温暖化に伴う気候変動を解決するためには、熱エネルギーを効率的に使用して、物質から放出される排熱を抑制することが重要です。二酸化バナジウムは、温度上昇に伴い赤外線透過率が顕著に減少する反面、反射率は向上する性質(サーモクロミズム)を利用した赤外線放射抑制機能材料です。本研究では、ナノスケールモスアイ構造を有する二酸化バナジウム薄膜に着目し、「電気的駆動力なしに直接的に光スイッチング機能」をもつ赤外線スマートウィンドウの開発を実施しています。
神納 貴生 X線画像による非破壊検査に向けた微弱特徴の可視化 社会インフラを支える工業製品など,簡単に停止して点検できないものは多く,それらは非破壊検査によって点検される.非破壊検査の一つとして,X線画像を用いた検査が挙げられる.X線は物体の透過率の違いにより内部構造を写し出せるが,X線が透過し難い金属などで覆われている場合,映し出せる内部構造の像は薄くはっきりとしないものとなる.これまで個別の工業製品に対するX線画像検査は熟練工の目視技術によって成り立っていたが,本技術は熟練工が確認する特徴を可視化して誰もが頑健に検査できるようにする.
日置 和昭 降雨量観測に基づく土砂災害発生危険度予測・監視に関する研究 都市デザイン工学科の地盤領域(地盤防災研究室、地盤環境工学研究室)では,近年多発する豪雨や来たるべき巨大地震により山腹斜面や土構造物が崩壊する危険度を予測・評価するためのさまざまな研究を行っています.このうち,降雨量観測に基づく土砂災害発生危険度予測・監視に関する研究を紹介します.
長森 英二 培養骨格筋の機能的アッセイ技術 生体の骨格筋機能や疲労を定量的に計測することは個人差による困難を生じやすい.そこで,培養骨格筋細胞の活性張力を簡便かつ繰り返し評価可能な技術(特許第5549547号)を開発した.
加瀬 渡 インタラクタを用いた線形制御系の解析・設計 追従制御系を構成する際、制御対象の伝達関数に対して、その逆数を前置補償器として用いる方法が考えられる。この補償器は微分器を含み、その部分をインタラクタという。一入出力系では、インタラクタは伝達関数の相対次数を有する多項式とすればよい。しかし、多入出力系においてはインタラクタは多項式を要素とする行列になり、伝達関数の相対次数以外に、そのパラメータにも依存するため導出も難しい。本研究では、出力数が入力数よりも多い系に対してインタラクタに関連する様々な問題、例えば特異な重みを有するLQ問題の解の陽表現、最大非可観測化問題、状態フィードバックにより逆インタラクタ化、不変零点の計算法などを考える。
山内 雪路 フリーWiFi接続サービス監視方式と監視装置 集客施設などで来訪者向けのフリーWiFi接続サービスを提供する機会が増えている。ところが大規模通信事業者のサービスを用いず、主たる事業に付随して開設する形態のフリーWiFi接続サービスでは設置者がその稼働状況を気にせず放置したままで必要な時に利用できない場合や、悪意ある利用者がフリーWiFi接続用アクセスポイント(AP)になりすましたAPを設置し、盗聴や中間者攻撃を行う場合がある。本研究では「ダミークライアント」と呼ぶ簡易な装置を開発し、フリーWiFi接続サービスを遠隔地から総合的に監視するとともに、悪意ある攻撃者の出現を迅速に発見可能なシステムサービスが提供可能となった。本研究の成果は地方自治体の公共施設で数年に亘って安定的に稼働しており、トラブルの迅速な発見に貢献している。
重弘 裕二 遺伝的アルゴリズムに基づく鉄道ダイヤの生成自動化 現代社会において鉄道は不可欠なものとなっており、鉄道ダイヤの乱れは多くの人に影響を及ぼす。しかしダイヤの乱れは様々な原因によって生じるため、完全になくすことは難しい。ダイヤの乱れが生じると運行計画の変更を行う必要があるが、変更案の作成は人手に頼らざるを得ないため、多大な時間が必要となる。そこで本研究では、研究の最初の段階として、遺伝的アルゴリズムを用いて鉄道ダイヤの自動生成を試みる。
宮部 正洋 熱流体機械の最適化設計手法の開発 熱流体機械を対象として数値流体力学(CFD)による最適化フレームワークを適用します。設計パラメータの最適な組み合わせを迅速に見つけ出す手法を提案します。手法の検証には3Dプリンタを用いて熱流体機械を製作し、性能試験、各種物理量の計測や流れの可視化を行い、現象や勘所を平易に解説します。
藤元 章 火星移住計画と太陽系ツアーをテーマにした課題解決型授業 [概要] 大阪工業大学の工学部では,PBL(ProblemあるいはProject-Based Learning)を基軸とした教育カリキュラムを実施している。1年次では各学科の専門分野に関連した課題の実験・実習的なPBLを行い,2年次生には物理学,地球科学,生物科学の分野横断型PBLを提供している。2015年度から2018年度まで「火星移住計画」を題材にして進めてきた。そして, 2019年度からは,火星の枠を飛び出して,「太陽系ツアー」をテーマにしたPBL型授業を進めている。
松浦 清 科学と宗教を繋ぐ美術 星曼荼羅の二形式すなわち円形式および方形式(図1)の構成要素とその配置に基づく構成原理ならびに成立と展開の解明を研究の中心としつつ、須弥山図(図2)などの絵画作品において、天文学に基づく科学知識と天空への思想がどのように関連して作品として成立しているのかを研究している。
桑原 一成 天然ガスや水素を燃料とする新世代エンジンの高精度着火予測モデルの開発 数値的検討により新たなエンジン技術の開発を加速することが求められている。数千の化学種と数千の素反応から構成される詳細反応モデルが記述するガソリンの着火遅れ時間の温度・圧力・当量比・EGR依存性をわずか五つの式により誤差10 %以内という高精度で再現可能な方法を確立した。この着火遅れ時間総括式を用い、最も簡素な着火予測モデルとして普及しているLivengood-Wu積分を遡り型で行うという新たな発想により、高汎用性、高精度、低計算負荷を極めて高いレベルで並立させたガソリン着火予測モデル(ノッキング予測モデル)を確立した。このモデルを天然ガス、水素、アンモニアなどの新燃料の着火予測に拡張することにより、これらの燃料を用いた新世代エンジンの開発に大きく貢献可能であると考える。
小山 政俊 分極デバイス応用を目指した酸化ガリウム薄膜の研究 ワイドバンドギャップ半導体としてパワーデバイスや深紫外線検出器への応用が期待される酸化ガリウム薄膜に注目しています。特に準安定相構造の一つである ε 相の酸化ガリウムは自発分極による分極デバイスへの応用が期待されます。準安定相の成膜に適した手法であるミストCVD法を用いた高品質な薄膜の成膜とそのデバイス応用を検討しています。
大島 一能 IoTとAIを活用したネットワークデザイン手法 情報通信ネットワーク研究室では、IoTネットワーク技術や機械学習、AIを活用したネットワークデザイン手法の研究に取組んでいます。本サイトでは次の各テーマの概要を説明させて頂きます。 (1) 深層学習を活用した屋内位置検出: GPSなどの電波受信が難しい屋内で位置情報を利用するサービスの需要が拡大しています。BLE の電波強度(RSSI)を深層学習により分析して位置検出を行う手法を研究しています。 (2) AIを活用した局地的豪雨予測方式: 降雨観測レーダや雲画像等の気象データを活用した局地的豪雨の予測方式を研究しています。 (3) その他の研究課題: IoT と AI を活用したドローン自律制御方式や可視光LED通信の応用システム等も進めています。
熊本 和夫 安全安心で快適な社会を支えるIoT基盤技術に関する研究 コロナ禍をきっかけに、世界中の人々の生活スタイルが変化しつつあります。その中で重要な役割を果たすのが通信システムです。我々はネットワークそのものが、ユーザの利用形態、無線環境など様々な状態を理解し、状況に応じて最適なネットワーク利用形態をユーザに提供する究極に便利なネットワークインフラストラクチャの創造を目指しています。
倉前 宏行 マルチスケール・マルチフィジックス有限要素解析法 金属材料の機械的特性は,材料の微視的な多結晶構造,特に優先方位や結晶粒径に大きく依存する.微視結晶構造制御に基づく高機能材料の創製のためには,熱的影響を含む材料の加工過程における塑性変形過程の結晶集合組織発展の非線形解析手法と加工プロセスパラメータの最適化の確立が必要である. 本研究においては,塑性変形誘起の集合組織発展に加え,熱的負荷による動的再結晶を解析可能なマルチスケール熱・結晶塑性有限要素解析コードを開発した.これにより自動車用ボディ板材のAl合金板材の圧延創製過程のプロセス最適化が可能となる.
神村 共住 光学材料のレーザー損傷耐性の非破壊3次元イメージング技術 高レーザー損傷耐性で均質な光学材料の供給が産業用レーザーシステム、半導体露光装置等の性能、信頼性の向上に緊急で不可欠な課題となっている。本技術は、これまで開発してきた基本評価技術にさらに評価用レーザー光源の安定化を図ることで2光子吸収からレーザー損傷耐性を非破壊で高精度計測することを可能にしている。これにより各種光学材料のレーザー損傷耐性を非破壊で3次元イメージング可能な品質評価技術として確立している。
古崎 康哲 嫌気性消化(メタン発酵) 研究者が扱うバイオマスは、下水汚泥、生ごみ、である。 リアクタの小型化に資する前処理技術を研究している。 生ごみについて、でんぷん質が多い場合に有効な前処理として、「バイオエタノール化」を行い、メタン発酵リアクタに投入するシステムを提案している。 バイオガス中メタン濃度向上、汚泥生成量削減、分解率向上、高負荷運転の達成、などの効果を確認している。
福原 和則 イノベーションを誘発するワークプレイスの設計 製品開発を行うワーカーのための新しい環境を構想するにあたっては、単なる「箱モノ」の設計を超えたプロセスを共有することが重要である。場としての環境を設計する行為を会社やチームそのものを設計する行為であるととらえ、時には「デザイン思考」の方法論を取り入れて検討をおこなうと有効である。内容の検討に加えてプロセスも合わせてマネージメントすることが求められる。
井原 之敏 多軸制御工作機械の加工精度向上 除去加工を行う工作機械は、機械の精度が悪いと加工方法や工具がどんなに良いものを使用しても加工されたものの精度はよくなりません(母性原則)。しかし、機械そのものの精度はあまり見えてこないのが実情です。特に多軸制御工作機械は機械そのものの精度を検査する方法も定まったものが存在しません。そこで私たちの研究室では機械の運動精度を検査する方法を提案し実施することでまず機械の精度を保証し、そのうえで加工方法について提案を行っています。
淀 徳男 人と共存可能なマイコン制御高輝度多色LED照射型植物工場の開発 将来の世界人口予測から40年後の2060年には世界の人口は100億人を突破すると予想される。100億人を越えると今の食糧生産事情では、全ての食糧を賄うことは不可能であると考えられる。特に日本では各国と比べて38%という食糧自給率の低さから将来の食糧問題は熾烈となる。また、さらに温暖化から、通常の屋外での農作物の生産力は低下することから、屋内での高効率の農業生産技術、特に人と共存可能な高生産力の植物工場が必要となる。