機能材料のマルチスケール最適設計
材料に優れた特性を発現させる鍵は，微視構造にある．次世代新規デバイス開発の核となるマルチフェロイック材料の電気磁気効果を飛躍的に向上することを目的とし，顕微鏡で観察される微視（ミクロ）スケールと機械構造物を捉えた巨視（マクロ）スケールを連成したマルチスケール構造最適設計を駆使して，数値解析主導の材料設計開発を提供する．
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。
本研究の背景
①将来の世界人口の予測が引き起こす食糧問題：
図1に将来の世界人口予測を示す。これによると40年後の2060年までに世界の人口は100億人を突破すると予想される。世界人口が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ている。
2060年には今の1.3倍の食糧が必要と試算される。
世界中で餓死者の急激な増加、厳しい食糧の奪い合い、及び世情の急激な悪化が引き起こされる。
②日本の自給率低下が引き起こす食糧問題の加速：
図2は日本と諸外国の食糧自給率を比較したデータである。図から明らかなように、カロリーベースで38%であり、諸外国からの輸入に頼っている現状にあり、年々低下している。
世界の食糧事情より、日本の食糧事情の方が厳しい！
2060年、日本の人口は26％減少するが、現在のように農作物の輸入は可能か？
温暖化の影響
温暖化が農作物の生長の適温外に気温を上昇させている。
図３は野菜や果実の生長、図4は稲の生長の適温を示す。共に35度が最高限界気温である。急激に温暖化が進む（35度以上の猛暑日）と生産が急激に抑制される。
図5は日本の2014年までの年間の猛暑日の変化を示しているが、確実に増加傾向にあり、現在2020年の東京都心では過去最多の10日を記録している。
また、温暖化は気候変更に大きな影響を及ぼす。スーパ台風の発生が頻繁となり、国土に高潮・洪水・土砂崩れを引き起こし、農作物の生産に致命的な被害を及ぼす。
将来、屋外での農業は困難になるだろう
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屋内で人間と共存可能な植物工場の提案
人間と共存可能な植物工場
①達成目標とする項目
・栽培に手間がかからず、短期間で栽培から、収穫が可能である。
・栽培面積が少なくても高生長速度であり、高収量効率である。 → 実用的家庭栽培が可能となる。
・衛生的で農薬は不要で安全であり、かつ新鮮な食材が得られる。家庭用も含めて装置がコンパクトである必要がある。
・天候に影響を受けず、収穫量が一定であること。温暖化に依存しない。 → 家のエアコンの快適な温度で人と植物が共存できる。
②方法
１．栽培の方法
土耕栽培—手間と熟練、経験が必要。不衛生。→ 素人でもできる水耕栽培。土を使わないので衛生的。害虫はほぼ０である。
２．光の質
太陽—無料。質は優れているが、光量は気まぐれに激しく変化する。→ 高輝度LEDを使う。光の質には大きな問題がある。
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多色LEDの使用
３．光、培養液（水）、風、時間の制御
ポンプ、ファン、ウレタン、安価なマイコンで光源や電子機器の制御を使う。—Ardinoやラズベリーパイなど
４．温度の制御
人との共存共栄として家庭用エアコンを共用する。
装置システムの概要1
１．LED光源について
単色LEDより、白色LEDが栽培には適していた。しかし、太陽光と比べるとさらなる改善が必要！
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多色LED光源の製作
白色LEDだけより、約2倍の収穫量アップ！
3.2g/(月・cm2) → 同条件の太陽光では1.2～1.9g /(月・cm2 ) (栽培面積が64cm2の場合)
装置システムの概要2
1.1 光の質について
同じ白色でも太陽とLEDでは光の質は全く異なる
(i)太陽の光スペクトルは幅広く色々な成分の波長を有している。
(ii)白色LEDは青色のスペクトル成分は鋭く強いが、緑や赤の成分を幅広く含んでいるが光の強度自体は弱い。
(iii)白色LEDと違い、太陽光では晴天の日だけではなく、雨、曇りの日も有り、予測できない。
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栽培・収穫を安定化させるには、人工光でかつ、光源スペクトルの最適化が必要である!!
２．LED光源の光量とファンによる風量制御
・白色LED：Arduinoで時刻と共に各LEDの光強度を変化させる
・ファン：ラズベリーパイを用いたPWM制御 → カビの発生を有効に抑える
3．培養液の供給制御（大豆栽培の例）
・培養液の供給はポンプ：Arduinoを用いたPWM制御
・真ん中の図は、本植物工場での実際の大豆栽培の様子
・下図は収穫した大豆とその重量
栽培結果と評価1
①水菜栽培比較：太陽と多色LED光源の違い 300時間栽培一定、気温23度一定
結論： 光源スペクトルの質によって、栽培の形態が大きく異なる。太陽の質が一番優れていると考えられる。 太陽は光強度が弱くても植物の茎が強く、しなやかで根の成長も早い。
栽培結果と評価2
②水菜栽培の多色LEDのスペクトルによる違い：栽培面積300cm2、気温23度一定下
結論： 多色光源スペクトルの光の質によっては、気まぐれな太陽光よりも収穫効率は一定で安定で有り、大幅に向上することがわかった。
栽培結果と評価3
レタスL-113 栽培の多色LED光源のスペクトルによる違い：栽培面積280cm2、気温23度一定下
結論：光源は光の強度だけで無く、光の質が最も重要であることがわかった。
論文
「Proposal of wavelength-dependent photosynthetic photon flux density (WD-PPFD) using Si-photodiode and influences of WD-PPFD on growth of ‘Mizuna’ (Brassica rapa L. Japonica) using high-efficiency power LEDs in plant factory」(2014)『ICPF 2014 』P8p.31.
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