このたび、東工大教員8名が、平成30年度科学技術分野の文部科学大臣表彰において「科学技術賞」、「若手科学者賞」を受賞しました。

科学技術分野の文部科学大臣表彰には、「科学技術賞」を始め、特に優れた成果をあげた者を対象とする「科学技術特別賞」、高度な研究開発能力を有する若手研究者を対象とした「若手科学者賞」等があります。

「科学技術賞」は科学技術分野で顕著な功績をあげた者を対象としたもので、「開発部門」、「研究部門」、「科学技術振興部門」、「技術部門」、「理解増進部門」に分かれて表彰されています。

「若手科学者賞」は、萌芽的な研究、独創的視点に立った研究等、高度な研究開発能力を示す顕著な研究業績をあげた40歳未満の若手研究者を対象としています。

日ごろの研究活動、研究成果を認められ、本学からは1名が科学技術賞を、7名が若手科学者賞を受賞しました。

今年度受賞した本学教員は以下のとおりです。

科学技術賞（研究部門）

淺田雅洋 科学技術創成研究院 未来産業技術研究所 教授

若手科学者賞

• 奥住聡 理学院 地球惑星科学系 准教授
• 竹内一将 理学院 物理学系 准教授
• 那須譲治 理学院 物理学系 助教
• 鎌田慶吾 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所　准教授
• 庄子良晃 科学技術創成研究院 化学生命科学研究所 准教授
• 阪口基己 工学院 機械系 准教授
• 志村祐康 工学院 機械系 准教授

科学技術賞（研究部門）

• 淺田雅洋 Masahiro Asada｜研究者検索システム 東京工業大学 STAR Search
• 浅田研究室
• 工学院 電気電子系
• 未来産業技術研究所

若手科学者賞

• 奥住聡 Satoshi Okuzumi｜研究者検索システム 東京工業大学 STAR Search
• 奥住研究室
• 理学院 地球惑星科学系

• 竹内一将 Kazumasa Takeuchi｜研究者検索システム 東京工業大学 STAR Search
• 竹内研究室
• 理学院 物理学系

• 那須譲治 Joji Nasu｜研究者検索システム 東京工業大学 STAR Search
• 那須譲治ウェブサイト
• 古賀研究室
• 理学院 物理学系

• 鎌田慶吾 Keigo Kamata｜研究者検索システム 東京工業大学 STAR Search
• 原・鎌田研究室 ―研究室紹介 #51―｜材料系 News｜物質理工学院 材料系
• 原・鎌田研究室
• 物質理工学院 材料系
• フロンティア材料研究所

• 庄子良晃 Yoshiaki Shoji｜研究者検索システム 東京工業大学 STAR Search
• 福島研究室
• 物質理工学院 応用化学系
• 化学生命科学研究所

• 阪口基己 Motoki Sakaguchi｜研究者検索システム 東京工業大学 STAR Search
• 井上・阪口研究室
• 工学院 機械系

• 志村祐康 Masayasu Shimura｜研究者検索システム 東京工業大学 STAR Search
• 店橋・志村研究室
• 工学院 機械系

• 平成30年度科学技術分野の文部科学大臣表彰受賞者等の決定について｜文部科学省
• 東工大関係者9名が平成29年度科学技術分野の文部科学大臣表彰で「若手科学者賞」を受賞｜東工大ニュース
• 東工大教員3名が平成29年度科学技術分野の文部科学大臣表彰で「科学技術賞」を受賞｜東工大ニュース
• 東工大教員8名が平成28年度科学技術分野の文部科学大臣表彰で「若手科学者賞」を受賞｜東工大ニュース

要点

• 両生類や魚類における大きな欠損を完全に再生する仕組みを解明
• 皮膚再生の過程をゼブラフィッシュで観察
• ヒトなどの皮膚疾患の治療、再生医療に新たなヒント

概要

東京工業大学 生命理工学院 生命理工学系の柴田恵里大学院生（博士後期課程3年・研究当時）と川上厚志准教授らの研究グループは、モデル動物であるゼブラフィッシュを用いて、皮膚が瘢痕^[用語1]を残さず、きれいに再生するための細胞群の働きを観察することに成功した。

魚類やイモリなどの両生類は、驚異的な組織再生能力を持っており、四肢やヒレを失っても元通りの組織を再生することができる。今回、研究グループでは、ゼブラフィッシュのヒレが再生する間の表皮細胞に注目。どのようなプロセスを経て、完全にヒレが元通りになり、瘢痕がない皮膚がどう再生されるのかについて、細胞を蛍光標識して追跡する方法で調べた。

その結果、従来考えられていた傷口付近にある皮膚細胞が脱分化^[用語2]することで幹細胞になり再生が始まるわけではなく、基底層の幹細胞や表層の分化細胞が、それぞれ増殖して、同じタイプの細胞を生産、それを欠損部に供給して皮膚を再生していることがわかった。さらに再生過程では、皮膚の広範囲で細胞増殖が活性化して細胞を供給することで、新たな皮膚がダイナミックに再構成されることが判明した。

本研究から、完全な皮膚再生は脱分化のような特殊な方法を用いることはせずに、基底層の幹細胞などが自己複製することで、皮膚再生が起きていることが示された。

研究成果は、英国の生物医学・生命科学誌である「ディベロプメント（Development）」のオンライン版に2018年4月3日に公開された。

背景

魚類やイモリなどの両生類は、高い組織再生能力を持っており、手足などの器官を失っても、瘢痕を残さずに完全に元の形状と同じ組織を再生できる。組織の再生や恒常性の仕組みの解明は、ここ最近の生物学における大きな課題の1つで、この解明により、ヒトの再生医療への応用の可能性が期待されている。組織が再生する際、細胞がどのような仕組みで、どのような源から供給されているのか、これまでほとんどわかっていなかった。

近年、遺伝学的な手法を用いて、再生のために働いている細胞を蛍光標識する方法で、組織の修復や再生における細胞系譜の解明が進んできた。

研究成果

研究グループでは、ゼブラフィッシュのヒレの再生をモデルにして、遺伝学的な細胞標識法（Cre-loxP部位特異的組み換え）により、再生組織の細胞を蛍光に標識して（図1）、長期にわたって追跡した。その結果、傷口付近にあった上皮細胞が、いくつかの異なった運命をたどることが判明した。

まず傷口にやってくる上皮細胞の第一群は、傷口を塞いだ後、数日以内に細胞死を起こし消失した。遅れてやって来た第二の上皮細胞群は、再生した皮膚を作る細胞になった。

しかしながら、これらの再生した皮膚細胞の多くは、1週間から2週間程度経つとヒレの末端へ向かって押し出され消失する。皮膚細胞がどこから新たに供給されたのかを調べると、再生過程では、広範囲の皮膚で、幹細胞を含む細胞の増殖が活性化することで新たな上皮細胞が多数供給されていることがわかった。

また、興味深いことに再生過程における皮膚細胞は、脱分化して幹細胞に戻って再生するような特別なプロセスは経ずに、すでにある基底層の幹細胞や表層の分化細胞がそれぞれ、個性を保ったまま増殖して皮膚を再生していくことが明らかとなった。

今後の展開

本研究により、瘢痕が残らない、きれいで完全な皮膚再生の仕組みを明らかにすることができた。

ヒトを含む他の脊椎動物でも、基底層の幹細胞の自己増殖を制御することで、皮膚の再生が可能になると考えられる。今回新たにわかった皮膚再生の仕組みは、ヒトでも同じように働いていれば、将来的には、様々な皮膚疾患の原因解明、再生医療研究等で利用されることが期待される。

論文情報

掲載誌 :	Development
論文タイトル :	Heterogeneous fates and dynamic rearrangement of regenerative epidermis-derived cells during zebrafish fin regeneration
著者 :	Eri Shibata, Kazunori Ando, Emiko Murase, and Atsushi Kawakami
DOI :	10.1242/dev.162016 Image may be NSFW. Clik here to view.

• プレスリリース 魚の完全な皮膚再生システムを解明 －脱分化を経ず速やかに組織を修復－Image may be NSFW.
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• 川上研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 川上厚志 Atsushi Kawakami
• 生命理工学院 生命理工学系
• 研究成果一覧

要点

• 道路網情報から、都市の社会的、経済的活性度を表す中心地理論を開発
• 本理論を世界の92都市に適用し、その妥当性を検証
• 従来手法と比較し準備が容易であり、今後都市計画などへの適用が期待

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院のペッター・ホルメ（Petter Holme）特任教授らは、都市と周辺の道路網の構造によって都市の活性度を評価する手法を開発した。幾何学的尺度Innessを定義し、出発点と目的地の最短と最速経路を評価・分析することで、都市とその周辺部の結合度を幾何学的分布で示した。さらに、この手法を世界の92の大都市とその周辺に適用し、都市の発展レベルを3種類に分類、社会経済的な相関を示すことに成功した。これにより、都市の活性度が道路網から容易に分かるようになった。都市とその周辺の活性度は普通、人口や物流、生産高などの社会的、経済的な指標に着目するのに対し、今回開発した手法はより簡便に把握することができる。

本研究成果は2017年12月20日、英国誌「Nature Communications」に掲載された。

研究の背景と経緯

今回の研究成果は中心地理論^[用語1]に関するものである。これは、中心都市とその周辺地域の機能と規模を幾何学的な分布で示す地理学上の理論であり、1930年代にドイツの地理学者ヴァルター・クリスタラー（Walter Christaller）によって開発された。日本でも高度成長期には各地の都市計画などに利用された。これには、中心都市とその周辺地に関する多数の経済的、地理的データなどが必要だったが、これらの繁雑な準備が不要となる今回の研究成果は新しい中心地理論として注目される。

研究内容

都市中心地と周辺部の結合の強さを表現するため、幾何学的尺度Inness を定義した。図1-aで都市の中心地cから半径r（2、5、10、15、20、30 km）の距離にある円周に沿って36点を設け、この中から出発地Oと目的地Dを選ぶ。このODペアに対しインターネット上の地図情報（Open Source Map API^[用語2]）を参照し、生活道路などの最短経路（赤）と幹線道路などの最速経路（青）を選ぶ（図1-b）。ODペア（測地距離s）は都市中心から半径r、都市中心から見た出発地Oと目的地Dの間の角度をθとする。図1-cで示すように、（赤の内点と直線の測地線^[用語3]で区切られたポリゴン^[用語4]）から（青の外点と測地線で区切られたポリゴン）の差を Inness と定義する。Innessが正の場合はODペアの測地線より経路が内側にあり、負の場合は外側にある。ODペアの経路と測地線の関係から、図1-dに示すようにポリゴンの形状は3つのケースがある。Innessが正であれば赤で塗られた領域が広く、負であれば青で塗られた領域が広くなる。

図2は世界の92都市について、平均的なInnessを示したものである。最短/最速経路について都市中心から見込む角度θについて、Innessの平均値と標準偏差を示す。都市中心地付近（r=2 km）ではInnessはほぼ0であり、これは経路が市中の生活道路であるためと推定される。一方、郊外になると（r=10、30 km）、Innessの変動も大きくなる。これは、中心地に向かう幹線道路や環状道路、バイパス道路などの影響と思われる。

このようにして得られたInnessは靴紐のアルゴリズム^[用語5]によって、地図上にポリゴンの集合として配置される。

それではInnessを用いて、世界の92都市の分類してみよう。都市の面積は様々なため正規化^[用語6]し、Innessの平均値と標準偏差値をプロットすると、3つのグループに分類できた（図3）。2つの値がともに低いLLグループにはベルリン、パリ、東京などの大都市が入る。道路の全長が長く、地理的制約が少なく、周辺との接続性もよく、インフラ整備も進んでいる。図3左中のベルリンでは、Innessが正の領域が偏りなく広がり、うすい赤で表示されている。これから分かるように都市機能は分散し、中心地と見なされる点は見当たらない。一方、平均値と標準偏差値がともに高いHHグループは、図3右のカルカッタを例にすると、中心部のInnessは正でしかも濃い赤の領域が広がっている。これは、道路のインフラ整備が不充分で、周辺部との接続性が限定され、主要な交通経路は都市の中心地を経由することになり、中心地の混雑が予想される。また、平均値が低く標準偏差の高いLHグループは、LLとHHグループの中間的性格も含むが、地理的制約による要因も無視できない。例えば、図3中のムンバイは大陸に隣接した島にあり、中心部はInnessが適度な正でうすい赤の領域が広がっているが、周辺部とは橋で接続されるため遠回りせねばならず、Innessは負で青い領域が広がっている。

次に、各都市の最短経路と最速経路について分析した。前者は地理的制約によるが、後者は環状線や高速道路などの社会的発展指標と関連している。ある都市の正規化した最短経路のInnessと最速経路のInnessのピアソン相関係数ρ^[用語7]を求めた。道路網が未整備だと、最短経路と最速経路は大差ない経路となり、両者は正の相関がありρは1に近づく。一方、自動車幹線道路が整備されると最短経路と最速経路は別ルートとなり、両者の相関関係は小さくなりρは0に近づく。その値を昇順に並べたものが図4のRank of citiesである。

これらのデータをk平均法^[用語8]や自然分類法^[用語9]によりTYPE I、TYPE II、TYPE IIIに分類すると、TYPE IはグループLL、TYPE IIはグループLH、TYPE IIIはグループHHにほぼ対応している。そして図4右に、相関係数ρと1人当たりGDPの関係を示したように、これらの間には明確な相関があることが分かった。このことから、Innessは都市の地理的な評価のみならず、社会経済的な指標にもなり得ることが確かめられた。

今後の展望

本方式で中心地理論を展開するには、基本的にはインターネット上の最新の地図情報（Open Street Map database）があればよい。従来は地図情報に加えて、社会経済的指標を示すデータ（例えば、地域内の学校数、工場数、余裕電話台数など）が必要であり、これらは時代とともに変化するため、その設定は容易でなかった。本方式は、現状の都市周辺の活性度を評価するだけでなく、将来の道路網整備が地域全体に与える効果を予測する手段となる可能性がある。

本研究の一部は、東京工業大学が展開しているワールド・リサーチ・ハブ・イニシアティブ（WRHI）によって行われた。WRHIは「世界の研究ハブ」を目指す組織として、世界トップレベルの研究者を招へいし、国際共同研究の加速と分野を超えた交流を実施している。

論文情報

掲載誌 :	NATURE COMMUNICATIONS | 8: 2229
論文タイトル :	Morphology of travel routes and the organization of cities
著者 :	Minjin Lee, Hugo Barbosa, Hyejin Youn, Petter Holme, Gourab Ghoshal
DOI :	10.1038/s41467-017-02374-7 Image may be NSFW. Clik here to view.

• プレスリリース 都市の活性度を道路網の構造によって評価 ―社会的、経済的な指標による分析よりも簡便な手法を開発―Image may be NSFW.
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• 研究者詳細情報（STAR Search） - ホルメ ペッター Petter Holme
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 （IIR）
• WRHI - Tokyo Tech World Research Hub Initiative
• 工学院 情報通信系
• 研究成果一覧

東京工業大学では、2015年より文部科学省・国立研究開発法人 科学技術振興機構（JST）の「革新的イノベーション創出プログラム」COI^※の『以心電心』ハピネス共創社会構築拠点として研究開発を進めてきましたが、JSTの了承を経て研究テーマを見直し、4月1日より拠点名と組織名を下記のとおり変更しました。

新拠点では、「目指すべき将来の姿」として『サイレントボイスとの共感』を新たな目標とし、これまで取り組んできたセンシング技術を中心に、新規に組み込むデバイス技術等の研究開発と組み合わせ「地球インクルーシブセンシング」に対する研究開発を推進し、社会実装を目指す計画です。

※

「革新的イノベーション創出プログラム」では、ハイリスクではあるが実用化の期待が大きい異分野融合・連携型の基盤的テーマに対して集中的な支援を行い、産学が連携する研究開発チームを形成しています。

COIは、センター・オブ・イノベーション・プログラムの略。10年後の目指すべき社会像を見据えたビジョン主導型のチャレンジング・ハイリスクな研究開発を最長で9年間支援するプログラムです。

• 地球インクルーシブセンシング研究機構（EISESiV）
• センター・オブ・イノベーション（COI）プログラム｜国立研究開発法人 科学技術振興機構
• 革新的イノベーション創出プログラム（COI STREAM）｜文部科学省

要点

• アパタイト型酸化物イオン伝導体^[用語1]には格子間酸素が存在せず、Si空孔が存在
• 高いイオン伝導度の要因は結晶構造中に存在する酸化物イオンの不安定化だった
• 高性能な燃料電池やセンサー、酸素分離膜などの開発につながると期待

概要

東京工業大学 理学院 化学系の藤井孝太郎助教、八島正知教授らの研究グループは、名古屋工業大学 大学院 生命・応用化学専攻の福田功一郎教授、新居浜工業高等専門学校 生物応用化学科の中山享教授、名古屋工業大学の石澤伸夫名誉教授、総合科学研究機構（CROSS）中性子科学センターの花島隆泰研究員、日本原子力研究開発機構 J-PARCセンターの大原高志研究主幹と共同で、アパタイト型酸化物イオン伝導体が示す高いイオン伝導度の要因を原子レベルで初めて明らかにした。この材料は、近年注目されている固体酸化物形燃料電池（SOFCまたはSOFCs）やセンサー、酸素分離膜^[用語2]などへの応用が可能で、今後エネルギー・環境問題を解決する糸口になる可能性がある。

従来、アパタイト型酸化物イオン伝導体の高いイオン伝導度は、結晶構造中の格子間酸素^[用語3]の存在が要因であると言われてきたが、今回の実験では格子間酸素の存在は確認されず、その代わりにシリコン（Si）空孔があり、結晶構造中に存在する酸化物イオンが特定の方向に広く分布することが高イオン伝導度の構造的要因であることを明らかにした。本成果は、英国王立化学会が発行する材料化学の国際誌Journal of Materials Chemistry. Aに2018年4月16日に先行公開され、電子版と冊子版が刊行予定である。

研究の背景

エネルギー・環境問題を解決するためには、高効率、低予算で安全性の高い次世代のエネルギー源を開発する必要がある。特に固体酸化物形燃料電池は、その中核を担うと期待されている。固体酸化物形燃料電池は高温領域でしか機能しないため、より低温で高効率に動作可能になることが望まれている。そのためには600℃以下の中低温でより高い酸化物イオン伝導度をもつ酸化物イオン伝導体を開発する必要がある。

1995年に中山享教授らは、アパタイト型酸化物イオン伝導体La_9.333+xSi₆O_26+2x/3（La：ランタン、Si：シリコン、O：酸素、xは過剰La量）を発見した^[文献1]。このLa_9.333+xSi₆O_26+2x/3は、中低温で非常に高い酸化物イオン伝導度を示すことから固体酸化物形燃料電池の固体電解質やセンサー、酸素分離膜等への応用が期待されている材料だ。特にLaを過剰にした組成（以下La過剰組成）La_9.333+xSi₆O_26+2x/3は、基本組成La_9.333Si₆O₂₆に比べてより高い酸化物イオン伝導度を示すが、その要因は格子間酸素O_2x/3の存在によるとされてきた。しかしながら、実験的な証拠は確かでなく、そのイオン伝導メカニズムはよくわかっていなかった。その後、2008年に八島正知教授らは高温でMgを添加したLa_9.333Si₆O₂₆の結晶構造と酸化物イオン拡散経路を調べた^[文献2]。また、2013年に福田功一郎教授らは、単結晶X線回折実験で、格子間酸素でなくSi空孔があることを見出した^[文献3]。しかし、X線回折で格子間酸素を検出するのは困難だった。そのため、結晶構造の格子間酸素モデルLa_9.333+xSi₆O_26+2x/3とSi空孔モデルLa_9.333+x (Si_6-3x/4□_3x/4）O₂₆（□：Si空孔）のどちらが正しいのかは議論になっており、イオン伝導メカニズムは未解明のままだった。

研究内容と成果

研究グループは、基本組成であるLa_9.333Si₆O₂₆およびLaを過剰にした組成La_9.565（Si_5.826□_0.174）O₂₆の単結晶を合成した。単結晶中性子回折と単結晶X線回折^[用語4]によりLa_9.333Si₆O₂₆とLa_9.565（Si_5.826□_0.174）O₂₆の結晶構造を解析した。単結晶中性子回折実験には大強度陽子加速器施設J-PARC（ジェイパーク、Japan Proton Accelerator Research Complex）^[用語5]の物質・生命科学実験施設にある特殊環境微小単結晶中性子構造解析装置（SENJU）（図1）を利用した。その結果、過去の多くの文献でその存在が示唆されていた格子間酸素の存在は確認されず、代わりにSi空孔（La_9.565（Si_5.826□_0.174）O₂₆の□で表現）が存在していることを示すことができた。さらに研究グループは、量子化学計算により一般的に不安定であると考えられていたSi空孔が安定に存在しうることも示した。

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図1.

大強度陽子加速器施設J-PARCの物質・生命科学実験施設に設置されている特殊環境微小単結晶中性子構造解析装置（SENJU）の（a）外観図、（b）実際の装置、（c）測定した回折写真

イオン伝導度を測定した結果、La過剰組成La_9.565（Si_5.826□_0.174）O₂₆におけるc軸方向（図2）に沿ったイオン伝導度は基本組成La_9.333Si₆O₂₆よりも400℃で26倍高かった。このイオン伝導度向上の理由は、活性化エネルギーの低下に起因することが、イオン伝導度の測定によりわかった。活性化エネルギーの低下は結晶構造内でc軸に沿って直線的に並んだ酸化物イオン（図2中でO4とラベルしている酸化物イオン。3個のLaから成る三角形によってO4は囲まれている。）のc軸方向への空間分布が広がっていることと相関があった。La過剰組成では基本組成に比べて、La三角形の中心に存在する酸化物イオンO4とLaとの距離が短くなってO4が不安定化し、c軸方向にO4の空間分布が広がることで、酸化物イオン伝導の活性化エネルギーが低くなり、高いイオン伝導度を引き起こすことを見出した。

これまで、アパタイト型酸化物イオン伝導体の高いイオン伝導度の要因は格子間酸素であると長い間信じられてきた。今回、様々な文献のデータを整理したところ、本研究はこの定説をくつがえし、「結晶構造中にある酸化物イオンの不安定化によるイオン伝導度向上」という新しい概念が成立することがわかった。この新概念は、酸素（酸化物イオン）の高精度の構造情報を正確に引き出すことができる単結晶中性子回折法によって、初めて明らかにすることができた。

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図2.

単結晶中性子回折法で明らかにしたアパタイト型酸化物イオン伝導体La_9.333Si₆O₂₆およびLa_9.565（Si_5.826□_0.174）O₂₆の結晶構造と高いイオン伝導度発現の要因

今後の展望

アパタイト型酸化物イオン伝導体が示す高いイオン伝導度の要因が明らかになったことで、今後のアパタイト型酸化物イオン伝導体の開発が促進され、革新的な燃料電池やセンサー、酸素分離膜などの開発につながると期待される。また、今回判明したイオン伝導に関与する酸化物イオンの不安定化によってイオン伝導の活性化エネルギーが低下するという新しいコンセプトは、今後のイオン伝導体全般の開発に大きく寄与する概念だ。

論文情報

掲載誌 :	Journal of Materials Chemistry A
論文タイトル :	High oxide-ion conductivity by the overbonded channel oxygens in Si-deficient La9.565（Si5.826□0.174）O26 apatite without interstitial oxygens
著者 :	Kotaro Fujii, Masatomo Yashima,* Keisuke Hibino, Masahiro Shiraiwa, Koichiro Fukuda, Susumu Nakayama, Nobuo Ishizawa, Takayasu Hanashima and Takashi Ohhara（* 問い合わせ先著者）
DOI :	10.1039/C8TA02237B Image may be NSFW. Clik here to view.

• プレスリリース アパタイト型酸化物イオン伝導体における 高イオン伝導度の要因を解明 ―定説くつがえす格子間酸素の不在―Image may be NSFW.
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• 八島研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 藤井孝太郎 Kotaro Fujii
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 八島正知 Masatomo Yashima
• 理学院 化学系
• 研究成果一覧

要点

• 電力の安定供給に欠かせない、電力ネットワークの発電機群の同期現象を世界で初めて理論解明
• ネットワークの対称性が発電機群を同期させることを証明し、電力ネットワークの集約モデルを構築。発電機群の振る舞いの効率的解析、制御系の最適設計が可能に
• 再生可能エネルギーの大量導入にも耐えうる電力網設計への発展に期待

概要

東京工業大学 工学院 システム制御系の石崎孝幸助教と井村順一教授は、ノースカロライナ州立大学のNSF ERC FREEDMシステムセンター^[用語1]のアラーニャ・チャクラボッティ准教授との共同研究で、電力ネットワークのモデリング・解析・制御に関する一連の研究成果をグラフ理論^[用語2]で検討し、ネットワーク結合された発電機群の同期^[用語3]を実現するための基本原理を明らかにしました。この原理に基づき、送電網で複雑に結合された発電機群の振る舞い（回転子の位相角や連結点の電圧値など）を効率的に解析・制御できる、電力ネットワークの集約モデル^[用語4]を構築する手法を世界に先駆けて開発しました。

日本では太陽光発電など再生可能エネルギーによる発電の大量導入が見込まれています。これに伴う課題として、再生可能エネルギーは、天候や気候といった気象条件の変化で発電量が不規則に変動するため、電力系統に組み込まれた際に、電力供給の安定性を損なうと考えられてきました。

発電機群の回転子の位相角が揃う「同期現象」の解析は、電力の安定供給を実現するために不可欠です。再生可能エネルギーの普及が進むと、火力発電など従来型発電機群の同期現象を詳細に解析する必要性はますます高まると予想されます。しかし、これまでの発電機群の同期現象の解析は、数値シミュレーションによるものが主流でした。理想的な送電ネットワークと発電機群の正確な同期について、その原理を理論的に明らかにした研究は、今回が世界初といえます。

本研究では、グラフ理論におけるネットワークの対称性（グラフの自己同型性）^[用語5]が発電機群の同期を特徴づけることを理論的に証明しました。さらに、この送電網の解析に基づき、オームの法則やキルヒホッフの法則^[用語6]などの物理法則に従う電力ネットワークの集約モデルの構築手法を開発しました。

本成果は、再生可能エネルギーの送電網への大量導入によりさらなる複雑化が予想される将来の電力システムに対応し、電力を安定供給するための解析・制御手法を開発する基盤として、その発展が期待されます。

本研究成果は、2018年4月26日（日本時間）に米国電気電子学会誌「Proceedings of the IEEE」のオンライン速報版で公開されました。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

研究の背景

火力発電所など複数の発電機群の回転子の位相角が揃う「同期現象」は、電力の安定供給に深く関係することが知られています。具体的には、ある発電機が同期しなくなると、その発電機や周辺の発電機は安定に運転することができなくなり、最悪の場合、停電などの重大な事象が引き起こされます。このような観点から、電力システムにおける発電機群の同期現象の解析は非常に重要でした。

特に今後、太陽光発電など再生可能エネルギーの大量導入を見据える日本においては、効率的な発電・送電に関わる同期現象の解析の必要性はこれまで以上に高まることが予想されます。再生可能エネルギーは、天候や気候といった気象条件の変化によって発電量が不規則に変動してしまい、発電機群の同期を維持することがより難しくなると予想されるためです。

発電機群の同期現象の解析は従来、数値シミュレーションに基づくアプローチが主流でした。どのような送電ネットワークを構築すれば発電機群が適切に同期するか、その原理を理論的に明らかにした研究はこれまでにありませんでした。

研究成果

本研究では、電力ネットワークのモデリングや安定性解析、安定化制御などに関する一連の研究成果を、グラフ理論という数学理論の観点から検討しました。グラフとは、頂点と辺で構成されるネットワーク構造の概念です。これを電力ネットワークに当てはめると、連結点はグラフの頂点として、連結点の間を結ぶ送電線はグラフの辺として表現できます。解析の結果、グラフ理論におけるネットワークの対称性が、送電網と一体となった（ネットワーク結合した）火力発電所の発電機群の同期を実現する基本原理であることを明らかにしました。

さらに、この基本原理に基づき、複雑にネットワーク結合された発電機群の振る舞い（回転子の位相角や連結点の電圧値など）を効率的に解析・制御するための新たな電力ネットワークの集約モデルの構築手法を世界に先駆けて開発しました。

送電網でネットワーク結合された発電機の振る舞いは、微分方程式と代数方程式をまとめた複雑な方程式（微分代数方程式）により表現されます。このうち、微分方程式はニュートンの運動の第二法則から導かれる“発電機の時間変化”を表現し、代数方程式はオームの法則やキルヒホッフの法則から導かれる“送電網の連結点における電力バランス”を表現します。

この微分代数方程式の解析は、Kron縮約（Kron Reduction）と呼ばれる簡略化手法によって、数学的に等価な微分方程式モデル（Kron縮約モデル）に変形して行われることが一般的でした。しかし、このような既存のアプローチでは、連結点の電圧を表す変数を削除することにより、送電網を表す代数方程式を消去してしまいます。すなわち、Kron縮約モデルは、オームの法則やキルヒホッフの法則などの物理法則を反映した送電網のネットワーク構造が直接的には見えない形式で表現されてしまいます。このため、既存のアプローチは、送電網のネットワーク構造と発電機群の同期現象の関係を解析するのに不向きでした。

これに対して、本研究ではグラフ理論に基づき、代数方程式に含まれる送電網のネットワーク構造を対称性の観点から解析しました。代数方程式を消去しないで、送電網の連結点の電圧の同期にも着目して発電機の振る舞いを解析した結果、送電網の対称性（図1）が発電機群の同期を実現する基本原理であることを明らかにしました。

さらに、同期している発電機群とそれらを結合する送電網を同時に集約するという新たな着想を加え、数学的にも物理的にも妥当な集約モデルを構築できました（図2）。従来の集約モデルは連結点の電圧変数が消去されたKron縮約モデルから構築されていたため、現実の電力ネットワークにおいて成り立つ物理法則が反映されていませんでした。本成果は、これまで数学寄りの観点から研究されてきた集約という概念を、電力ネットワークという物理システムにいかに適用すべきかを真に考えることよって実現されたといえます。

今後の展望

本成果は、大規模で複雑な電力システムに対応し、電力の安定供給を実現するための解析・制御手法を開発する基盤として、その発展が期待されます。

今後は、コンバータなどを含めたより複雑な電力システムへの展開や、発電機群の同期現象を近似的に解析する理論の構築を目指します。

論文情報

掲載誌 :	Proceedings of the IEEE
論文タイトル :	Graph-Theoretic Analysis of Power Systems
著者 :	Takayuki Ishizaki, Aranya Chakrabortty, Jun-ichi Imura
DOI :	10.1109/JPROC.2018.2812298 Image may be NSFW. Clik here to view.

• プレスリリース 電力ネットワークの同期は対称性がカギ ―再エネ普及時の安定供給につながる、世界初の理論解明―Image may be NSFW.
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• 井村研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 井村順一 Jun-ichi Imura
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 石﨑孝幸 Takayuki Ishizaki
• 工学院 システム制御系
• 国立研究開発法人 科学技術振興機構（JST）
• 研究成果一覧

平成29年度「東工大の星」支援（英語名称：Support for Tokyo Tech Advanced Researchers【STAR】）の採択者2名が決定しました。

「東工大の星」支援とは、東工大基金を活用し、将来、国家プロジェクトのテーマとなりうる研究を推進している若手研究者や、基礎的・基盤的領域で顕著な業績をあげている若手研究者へ大型研究費の支援を通じて、次世代を担う本学の輝く「星」を支援するものです。

「東工大の星」支援の概要

第5回目の今回は、2名の「星」が学長及び研究・産学連携本部長の協議により選考されました。

所属部局	担当系	職名	氏名
生命理工学院	生命理工学系Image may be NSFW. Clik here to view.	准教授	山田 拓司Image may be NSFW. Clik here to view.
科学技術創成研究院Image may be NSFW. Clik here to view.	化学生命科学研究所Image may be NSFW. Clik here to view.	助教（受賞当時、現・准教授）	横井 俊之Image may be NSFW. Clik here to view.

• 山田研究室
• ナノ空間触媒研究ユニット
• 平成28年度「東工大の星」支援STAR　採択者決定｜東工大ニュース
• 平成27年度「東工大の星」支援STAR　採択者決定｜東工大ニュース
• 平成26年度「東工大の星」支援STAR　採択者決定｜東工大ニュース
• 平成25年度「東工大の星」支援STAR　採択者決定｜東工大ニュース
• 研究者支援｜基金による支援事業｜東工大への寄附
• 「東工大の星」支援【STAR】｜賞・支援事業｜東京工業大学 研究・産学連携本部

要点

• 固体基板上のナノギャップ電極と剛直分子ワイヤで長距離共鳴トンネル現象を観察
• 4ナノメートルを超える分子ワイヤの共鳴トンネル現象を室温で世界で初めて確認
• 1つの分子で電気信号をON/OFFできる分子共鳴トンネルトランジスタ開発に道

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院／元素戦略研究センターの真島豊教授と東京大学 大学院理学系研究科の中村栄一特任教授、神奈川大学 理学部の辻勇人教授の研究グループは、室温（27℃）での分子ワイヤの長距離共鳴トンネル現象^[用語1]を世界で初めて確認した。

固体基板上のナノギャップ電極のギャップ間に剛直な構造の分子ワイヤを導入した素子の微分コンダクタンス^[用語2]のピーク電圧の観察から、このギャップ間の電気伝導が分子ワイヤの共鳴トンネル現象で説明できることを明らかにした。これは、1つの分子で電気信号をON/OFFできる分子共鳴トンネルトランジスタなどへの応用を可能にするものだ。

今回用いた分子ワイヤは、4.3ナノメートルの長さを有する炭素架橋分子ワイヤ（COPV6）^[用語3]と呼ばれる構造のπ共役系分子^[用語4]で、微分コンダクタンスのピークは、この分子の最高被占有軌道（HOMO）^[用語5]とHOMO-1、最低空軌道（LUMO）^[用語5]とLUMO+1のそれぞれの軌道に対応していることを確認した。

本成果は、半導体量子井戸構造の量子化準位において観察される共鳴トンネル現象が、4ナノメートルを超える分子ワイヤのエネルギー準位でも実現できることを示唆している。今後、分子構造や素子構造を最適化することで、分子軌道を電界変調する分子共鳴トンネルトランジスタの実現が期待できる。

この研究では、剛直分子ワイヤを東京大学と神奈川大学で合成し、長距離共鳴トンネル現象を東京工業大学が確認した。米国の科学誌「ACS Omega（エーシーエスオメガ）」に、5月11日にオンライン公開された。

研究成果

発光材料や電子材料として、有機エレクトロニクスの研究に長年用いられているオリゴフェニレンビニレン（OPV）は柔らかい分子ワイヤだ。一方、辻教授や中村特任教授らが開発した炭素架橋オリゴフェニレンビニレン（COPVn）は、炭素原子を用いてOPV骨格を架橋した剛直平面構造を有するπ共役分子ワイヤである。このような剛直分子ワイヤは、最高被占有軌道（HOMO）と最低空軌道（LUMO）間のエネルギーギャップ（HOMO-LUMOギャップ）をユニット数で制御でき、剛直性に起因してエネルギー準位が揺らがないために共鳴トンネル現象が観察されると予想されていた。

固体基板上に分子ワイヤを実現するためには、分子ワイヤの長さに合致したギャップ長を持つナノギャップ電極を用意する必要がある。真島教授らは、これまで電子線リソグラフィという手法で25ナノメートルのギャップ長を有する初期金電極構造を作製し、その表面にナノスケールの無電解金めっき（ELGP）^[用語6]を行うことにより、めっきの自己停止機能^[用語7]でギャップ長を分子長に合わせて無電解金めっきナノギャップ電極を高収率に作製できる手法を開発してきた。この無電解金めっきナノギャップ電極は、ナノギャップ電極として極めて安定な構造を有する。

走査電子顕微鏡（SEM）で、図1にあるような4ナノメートルのギャップ長を有するナノギャップ電極構造を観察した。このナノギャップ電極を有する基板を、両末端にチオール基を有するCOPV6分子溶液中に浸漬して、ギャップ間に分子ワイヤを吸着させる。ギャップ間に分子ワイヤが吸着すると、電流―電圧特性において電流が流れなかった素子に電流が流れるようになる。

ナノギャップ電極間に分子ワイヤが片側のみ化学吸着した状態（図1中に概略図）で、電流―電圧特性を測定したところ、図1に示すような4つの微分コンダクタンスピークを含む電流―電圧特性を低温（9K）で繰り返し観察できた。さらに、室温においても似通った微分コンダクタンスピークを観察できた。

この現象を解析したところ、図2（c）に示すようなバンド図となっていることが明らかになった。これは、分子ワイヤの分子軌道エネルギー準位（HOMMO-1、 HOMO、 LUMO、 LUMO+1）と左側の金電極のフェルミエネルギーが-1.41 V、 -1.16 V、 1.19 V、 1.41 Vで、それぞれ同じレベルに揃った時に共鳴トンネル現象が起き、分子軌道エネルギー準位を介して、左側の金電極に電子が共鳴トンネルし、微分コンダクタンスがピークになる（図1）。

背景

分子トランジスタは、化学合成により一意性のある数ナノメートルサイズのπ共役分子を半導体材料として用いるため、5ナノメートル以下の構造ゆらぎの無い次世代トランジスタとして期待されている。これまでナノギャップ電極は、エレクトロマイグレーション法などを用いて作製されてきたが、電極構造が安定しないため、極低温での特性の報告があるものの、室温動作は難しかった。共鳴トンネル現象は、量子井戸の準位に相当する分子軌道を介したトンネル現象として、本研究グループも含めて報告していたが、より高度な優れた性能としてのトランジスタ動作が期待できる長距離共鳴トンネル現象は、これまで確認されていなかった。

研究の経緯

無電解金めっきナノギャップ電極に、剛直分子ワイヤを化学吸着し、電流ー電圧測定を行ったところ、分子ワイヤのエネルギー準位を介した長距離共鳴トンネル現象として説明でき、室温でも動作することを明らかにした。

本研究は、文部科学省「元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞」（研究総括：細野秀雄 東京工業大学 科学技術創成研究院／元素戦略研究センター 教授）の一環として行われた。

今後の展開

固体基板上で安定に動作する分子共鳴トランジスタの実現を目指す。真島研究室では最近、無電解めっき技術を用いてナノギャップ電極のギャップ長を分子長にあわせて制御し、ゲート変調を可能とするナノギャップ電極を作製する技術を開発している。このナノギャップ電極間に分子ワイヤを挿入したトランジスタ構造を作製し、1つの分子で電気信号をON/OFFできる分子共鳴トンネルトランジスタを実現していきたい。

論文情報

掲載誌 :	ACS Omega
論文タイトル :	Coherent Resonant Electron Tunneling at 9 and 300 K through a 4.5 nm Long, Rigid, Planar Organic Molecular Wire
著者 :	Chun Ouyang, Kohei Hashimoto, Hayato Tsuji, Eiichi Nakamura, and Yutaka Majima
DOI :	10.1021/acsomega.8b00559 Image may be NSFW. Clik here to view.

• プレスリリース 分子ワイヤの長距離共鳴トンネル現象を室温で確認 ―分子共鳴トンネルトランジスタの実現に期待―Image may be NSFW.
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• 真島研究室 ―研究室紹介 #60―
• 真島・東（康）研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 真島豊 Yutaka Majima
• 東京工業大学 元素戦略研究センター
• 東京工業大学 科学技術創成研究院（IIR）
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• 物質理工学院 材料系
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情報理工学院 数理・計算科学系の松岡聡特任教授が、米国計算機学会（ACM）より2018年高性能並列分散計算アチーブメント アワード（2018 HPDC Achievement Award、以下HPDCアチーブメント アワード）を受賞しました。

HPDCアチーブメント アワードは、高性能並列分散計算の分野における、博士後期課程学生を始めとする若い世代の貢献意識を高め、また、コミュニティのイメージ向上に顕著な貢献をしたことに対して与えられる賞です。また、ACM HPDCは最も査読レベルの高い国際会議としても知られています。

今回の受賞は、松岡教授の並列および分散システム用の高性能システムおよびソフトウェアツールの設計、実装、および応用に関する先駆的な研究に対して、授与されました。

2018年6月11日（月）から15日（金）にかけて米国で開催される第27回HPDC国際シンポジウム（ACM HPDC2018）にて、受賞式と記念講演が予定されています。

松岡教授からのコメント

• HPDC 2018 Achievement Award - HPDC'18
• スパコン「TSUBAME」が世界の最前線を走り続ける理由 ― 松岡聡｜研究ストーリー｜研究
• 松岡聡研究室
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• 松岡聡教授がスーパーコンピュータの最高峰学術賞「シドニー・ファーンバック記念賞」を受賞｜東工大ニュース
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平成30年春の叙勲において、山口隆夫名誉教授が瑞宝中綬章を受章しました。長年にわたる、教育と研究への多大な貢献が評価されたものです。

経歴

山口隆夫名誉教授（1999年4月称号授与）は1967年3月、東京大学 大学院 人文科学研究科修士課程を修了後、同年4月から1969年3月まで同大学 教養学部助手を勤めました。

1969年4月に名古屋大学教養部に講師として赴任し、英語教育を担当し19年間在任しました。その間所属する組織の名称が、教養部から語学センター、総合言語センターへと変わりました。1973年助教授に昇任、英国における在外研究（1985年9月－1986年7月）から帰国後の1986年8月、教授に昇任しました。

1988年4月に東京工業大学に一般教育外国語担当教授として赴任後、10年間在任し外国語科主任として大学運営に参加しました。

1998年に電気通信大学に転任、2004年3月同大学で定年を迎えました。長年の外国語教育・研究分野における多大な貢献が評価され、今回の授賞に繋がりました。

コメント

国立大学に通算37年勤務した中、働き盛りの50歳代を東工大で過ごしました。当時、大学は未来に向けて力強く動いていました。ひとつは文化系の学部を創ろうという試みがなされたことであり私は委員のひとりでした。二つ目は生命理工学部の創設です。大隅栄誉教授が2016年ノーベル生理学・医学賞を受賞したニュースに接した時は、生命理工学部設立祝賀会に招ばれていたことを思い出し感慨も一入でした。

思い起こすと大学の多方面の活動に加わっていたのだと思います。テニスを通じて理工系の先生との交流もありました。

私が叙勲について連絡を受けたのは、昨年（平成29年）の6月5日のことでした。前月の下旬に入院、手術の後、退院したのが6月3日でした。しかも、姉が入院中に亡くなりました。哀しみの中に喜びが生まれ、喜びには姉の願いが実現するという驚きと不思議が混ざり合った受章でした。

• 平成30年春の叙勲等｜内閣府
• 本学名誉教授が平成29年秋の叙勲を受章｜東工大ニュース
• 古田勝久名誉教授が平成29年春の叙勲を受章｜東工大ニュース
• 東工大関係者が平成28年秋の叙勲を受章｜東工大ニュース
• 松本浩之名誉教授が平成28年春の叙勲を受章｜東工大ニュース

東京工業大学と神奈川県川崎市は5月21日、相互の持つ資源やネットワークを活かして、地域発のイノベーションの創出を推進するとともに、多分野での連携・協力を図ることを目的とした連携協定を締結しました。

本学と川崎市は2017年、「IT創薬技術と化学合成技術の融合による革新的な中分子創薬フローの事業化」と題する事業プログラムを共同提案し、同プログラムが文部科学省の「地域イノベーション・エコシステム形成プログラム」に採択されました。そしてこの採択を受け2018年3月、川崎市殿町のキングスカイフロントに、スパコンと化学合成技術を融合した世界初となる「中分子IT創薬研究拠点（MIDL：Middle Molecule IT-based Drug Discovery Laboratory）」がオープンしました。協定締結により、本学と川崎市は今後さらに多分野での連携・協力を進め、イノベーション創出に貢献していきます。

連携・協力事項

（1）殿町国際戦略拠点キングスカイフロントにおける中分子IT創薬を中心としたライフサイエンス分野に関する連携・協力

連携例

「中分子IT創薬プロジェクト」の着実な推進、中分子IT創薬研究拠点（MIDL）の保有機器の活用促進・共同利用

（2）臨海部における新産業創出や研究活動の推進に関する連携・協力

（3）新川崎地区における産官学連携によるイノベーション創出に関する連携・協力

（1）「地域イノベーション・エコシステム形成プログラム」を通じた中分子創薬・IT創薬分野等の産業振興における連携・協力

連携例

市内企業や産業支援機関等のネットワーク共有

市内IT企業等への情報提供、技術指導、技術移転。市内IT企業等との共同研究

（2）創業支援分野での連携・協力

連携例

大学発ベンチャーや大学出身の起業者等の市内インキュベーション施設への誘導支援

（1）基礎研究成果の実証実験、社会実装、事業化における連携・協力

連携例

中分子IT創薬研究拠点（MIDL）を軸とした、医療関係の企業等との共同研究の実施、臨海部など川崎市域をフィールドとする実証プロジェクトの企画・検討

（1）人材育成プロジェクトのプログラム開発に向けた連携・協力

連携例

臨海部企業の参画による、技術継承や即戦力人材の育成に資する講座等の開設

（2）市内企業を対象とした教育プログラムの実施に向けた連携・協力

（1）市民（学生を含む）向け講座やイベント実施における連携・協力

• プレスリリース 国立大学法人東京工業大学と川崎市がイノベーション推進に関する連携を進めますImage may be NSFW.
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• 平成29年度地域イノベーション・エコシステム形成プログラム支援対象地域の決定について｜文部科学省
• 東京工業大学が、スパコンと化学合成技術を融合した世界初となる中分子IT創薬研究拠点を、キング スカイフロントに設立｜東工大ニュース
• スマート創薬手法で4個のヒット化合物を発見 ―顧みられない熱帯病（NTDs）制圧に期待―｜東工大ニュース
• ぺプチドリーム社と特殊ペプチド創薬向けインシリコ技術の共同研究契約を締結｜東工大ニュース
• 第2回オープン創薬コンテストで13個のヒット化合物を発見｜東工大ニュース
• 秋山研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 秋山泰 Yutaka Akiyama
• 科学技術創成研究院 スマート創薬研究ユニット
• スマート創薬研究ユニット｜研究ユニット｜科学技術創成研究院（IIR）
• 情報理工学院 情報工学系
• 研究成果一覧

要点

• 光や電子線照射による微小領域の高速な温度変化を正確に測定
• ナノスケールの温度波による熱伝導計測の可能性を提示
• 500 nmサイズの温度を計測、電子線走査による温度マッピングとして実現

概要

東京工業大学 物質理工学院 材料系の森川淳子教授、劉芽久哉（りゅう・めぐや）大学院生らは、スウィンバーン工科大学との国際共同研究の一環として、厚さ30 ナノメートル（nm）の薄膜上に、幅2.5マイクロメートル（μm）の温度センサーを製作することに成功した。電子線リソグラフィー^[用語1] とリフトオフ^[用語2]技術を駆使して実現した。このセンサーを用い、毎秒50万ケルビン（5×10⁵ K/s）の高速な温度変化を測定できることを確認した。レーザー光や電子線照射による微小領域での測定が可能であり、マイクロ・ナノスケールの熱伝導計測への応用展開が期待される。

半導体デバイスの微細化が進み、発熱が大きな問題になっている。しかし、従来の熱計測技術はセンサーの応答速度やナノスケールの熱源への対応などに課題があった。

研究成果は2018年4月20日、英国ネイチャーの「Scientific Reports」（サイエンティフィック・リポーツ）に掲載された。

研究成果

次世代パワーエレクトロニクスなどのデバイス開発における発熱の問題は、依然としてさし迫った課題であり、マイクロ・ナノスケールの熱制御が、フォノンエンジニアリング^[用語3] のキーテクノロジーとして注目されている。

従来型の熱計測では、センサーの熱容量による応答速度や、フォト・サーマル効果^[用語4]による熱源の測定サイズの限界があることが多く、ナノスケールの熱源や、高速に応答可能な温度計測技術の開発が急務であった。

森川教授、劉院生らは、電子線リソグラフィーとリフトオフの手法を用いて、厚さ30 nmの窒化シリコン（Si₃N₄）ナノ薄膜上に幅2.5 μmの金・ニッケル（Au-Ni）接合による起電力型温度センサーを作成。（図1（a））直径0.5 μm以下のスポットサイズに絞った電子線照射による温度変化を、毎秒5×10⁵ Kの高速応答により捉える測定に成功した。（図1（b））

この技術を用いて、500 nmサイズの温度を計測し、電子線走査による温度マッピングとして実現した。さらに、電子線照射を変調させることにより、試料内にナノスケールの温度変調を生じさせ、その面内への温度波伝播の位相変化を計測することで熱拡散率を求める方法論を検証した。

バイオメディカル分野では、フォト・サーマル効果を利用した癌治療も行われており、これらナノスケールの熱計測技術の今後の応用が期待される。

研究の背景

デバイス開発における発熱の問題、なかでもナノスケールデバイスの熱制御の可能性については理想的な物質群についての理論的な研究が先行している。一方で、実用に近い系での実験的な検証が求められている。

フォノンエンジニアリングに総称される、これらナノスケールの熱制御技術が、実際のデバイス開発のキーテクノロジーとなり得るかは、実験的検証の成否にかかっているといっても過言ではない。

従来型の熱計測では、センサーの熱容量や、照射する光の波長による限界があることが多く、ナノスケールの熱源や温度計測技術の開発が必須であった。

研究の経緯

電子線リソグラフィーとリフトオフ法により、30 nm薄膜上に形成した2.5 μm幅のAuとNiの起電力型温度センサーは、10 μV/K（マイクロボルト／ケルビン：温度差1ケルビンあたりに生じる電位差） の感度で、近赤外レーザー光や電子線照射による温度上昇を毎秒5×10⁵ Kの応答速度で捉えた。このとき、センサーの基材となる薄膜の熱容量が十分小さいこと（十分薄いこと）が重要である。基材の厚さが30 nm～100 μmと厚くなるに従い、微小照射スポットの温度上昇は微弱になり、観測されなくなることを、実際の起電力測定により確認した。

また、ナノ薄膜では、通常1～2 μm程度の表面付近で発生するとされる2次電子^[用語5] の発生を抑制できることから、電子線照射による温度上昇をゼーベック効果^[用語6]による起電力の変化として直接捉えることが可能となった。

今後の展開

電子線を用いたナノスケールの空間分解能の温度や熱拡散率の分布画像を得る測定方法論の構築を進めるとともに、従来のAFM（原子間力顕微鏡）型熱顕微鏡やナノスケール赤外分光法と相補して、電子デバイスのほか、バイオメディカル分野など、幅広い分野へのナノスケールの熱計測技術の展開を予定している。

本成果は、文部科学省「研究大学強化促進事業」ならびに科研費NO.16K06768の研究支援により得られた。

論文情報

掲載誌 :	Scientific Reports
論文タイトル :	Micro-thermocouple on nano-membrane: thermometer for nanoscale measurements
著者 :	Armandas Balčytis, Meguya Ryu, Saulius Juodkazis and Junko Morikawa
DOI :	10.1038/s41598-018-24583-w Image may be NSFW. Clik here to view.

• プレスリリース ナノ薄膜上に高速応答の温度センサーを製作 ―次世代超微細デバイスの熱物性計測が可能に―Image may be NSFW.
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• ウイルスでできた熱伝導フィルムを開発│東工大ニュース
• 森川淳子教授が2017年度日本熱測定学会学会賞を受賞│材料系 News
• 森川研究室―研究室紹介 #32―│材料系 News
• 森川研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 森川淳子 Junko Morikawa
• 物質理工学院 材料系
• スウィンバーン工科大学
• 研究成果一覧

要点

• 生体内マグネタイト微粒子を機械操作することで過冷却の促進に成功
• 過冷却における氷晶の体積膨張が最小になることを検証
• 個々の農作物にあわせた氷晶制御システム開発の可能性を示唆

概要

東京工業大学 地球生命研究所（ELSI）の小林厚子研究員らの国際研究チームは、、凍結過程の水溶液中に分散させたマグネタイト^[用語1]（磁鉄鉱＝Fe₃O₄）微粒子を外部振動磁場中で回転させ、微粒子の界面付近を乱すことによって、過冷却^[用語2]を促進させることに成功した。

過冷却水から生成する氷は細胞組織に与える損傷が少ないことが分かっている。このため、過冷却を促進させ、作物にあわせた氷晶^[用語3]制御システムを開発することにより、計画的な食糧保存の実現につながる成果といえる。小林研究員らは微量のマグネタイトを含むセロリと牛肉に外部振動磁場をあて、凍結過程がコントロールできることを確認した。

フェリ磁性^[用語4]を示すマグネタイトは自然界では大気中のダストとして、また多くの動植物組織内に極微量含有するが、凍結時には氷晶形成核となり、霜害として作物に重大な被害を与えている。

研究成果は日本時間2018年5月7日発行の「米国科学アカデミー紀要（PNAS）」に掲載された。

研究成果

米国を拠点とするUS天然資源保護協議会の報告書によれば、世界の食糧の40%以上が、生産現場から台所の間で無駄になっている。生産地での霜害、台所では凍結保存の際の組織損傷も原因となっている。そのほとんどが、氷点下付近で凍結する氷が細胞壁を壊すことによる。

ところが、超純水は通常凍結する温度以下でも過冷却の状態を保つ。最終的には氷になるが、このような氷は細胞壁に与える損傷が小さい。研究チームは過冷却水から生成する氷の体積変化が最小になることを発見した。この原理を食糧の冷凍に応用できれば、凍結損傷を最小に抑えることができる。

小林研究員らはこれまでに、マグネタイト微粒子が多くの動植物組織に存在することを報告してきた。今回は僅かながらのフェリ磁性物質マグネタイト量を検出しているセロリと牛肉片に、地球の磁場より10倍から20倍程度強い磁場を外部振動させ、過冷却を促進した。

その結果、試料ごとに異なる凍結特性は、組織中に含有するマグネタイト含有量の違いによることが明らかになった。外部振動磁場で凍結過程がコントロールできるということは、試料内のマグネタイト含有量にあわせた調整が可能になるという、驚きの実験結果であった。この研究結果は、計画的な食糧保存、原種の長期保存・凍結保存技術に向けた医療への応用が期待される。

背景

水の凍結過程では水分子クラスター^[用語5] が氷晶核サイトとなる金属・ミネラルなどの微粒子の表面に集まり、針状に結晶成長し、組織内の細胞膜を破壊する。凍結過程において、細胞組織の破壊を最小限に抑える手法が望まれていた。マグネタイトは、古典的なフェライトで、非常に強い磁性を示す物質である。小林研究員らは“生体内マグネタイト微粒子氷晶モデル説”に基づいて、生体内にあるマグネタイト微粒子のみが、振動磁場下で過冷却操作可能な氷晶核因子となることを解明しつつある。

東京工業大学は当時の電気化学学部の加藤与五郎・武井武の両教授によって築かれたフェライト産業の発祥地である。1930年、両教授が発明したフェライト強磁性物質は、磁気レコード用テープとして初めて使われ、その後、幅広く応用されている。

生体組織内に存在するマグネタイト微粒子の分散状態と異なり、合成マグネタイトを水溶液中に分散させることの困難が予想された。しかし研究チームの使用したマグネタイト微粒子は、国内のフェライト製造会社が湿式沈殿法で製造したもので、今回の実験結果に結びついた。マグネタイトの探索がフェライト専門分野から学際的な研究へと展開している。

今後の展開

氷晶の核形成は、地球・惑星科学においても、その気候・環境を考える上で重要な概念となる。マグネタイト微粒子が大気の構成要素となっている環境下においては、磁性は氷晶形成に影響する。例をあげると、非常に強い磁場^[用語6]がある木星では、マグネタイトの果たす役割は大きいが、磁場がない惑星では小さくなる。

また、水が液体状態で存在するハビタブルゾーン^[用語7]内の太陽系外地球型惑星では、大気の対流パターンが地球型のものとは全く異なり、マグネタイトが核となってできる氷晶雲対流が生じない。氷晶の核形成過程におけるマグネタイトの役割を理解することは、今後の気候変動モデルを考える上で大いに役立つと考える。

論文情報

掲載誌 :	米国科学アカデミー紀要
論文タイトル :	Magnetic Control of Heterogeneous Ice Nucleation with Nanophase Magnetite: Biophysical and Agricultural Implications
著者 :	Atsuko Kobayashi, Masamoto Horikawa, Joseph L. Kirschvink and Harry N. Golash
DOI :	10.1073/pnas.1800294115 Image may be NSFW. Clik here to view.

• プレスリリース マグネタイト微粒子の機械操作により氷晶形成をあやつる ―農作物にあわせた氷晶制御システムの開発へ―Image may be NSFW.
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• 小林 厚子｜地球生命研究所（ELSI）
• 地球生命研究所（ELSI）
• 研究成果一覧

要点

• 真核細胞の中のストレス顆粒は、異常に形成すると神経変性疾患^[用語1]の発症の一因になる
• 2つの脱ユビキチン化酵素がストレス顆粒の消失を促すことを発見した
• 神経変性疾患の理解を深め、治療法の開拓に貢献する可能性

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 細胞制御工学研究センターの駒田雅之教授、福嶋俊明助教、生命理工学研究科 生体システム専攻の解玄（Xie Xuan）大学院生らの研究グループは、2つの脱ユビキチン化酵素がストレス顆粒の消失を促すことを発見した。ストレス顆粒は真核細胞の中に存在するRNA-タンパク質複合体に富む構造体で、細胞が熱などのストレスを受けると形成され、過剰に蓄積すると種々の神経変性疾患発症の一因になる。

研究グループは、タンパク質のユビキチン化修飾を外す2つの脱ユビキチン化酵素（USP5、USP13）が、ストレス顆粒に局在することを見出した。さらに、脱ユビキチン化酵素の機能を調べた結果、ストレス顆粒に含まれているタンパク質のユビキチン化修飾を外すことでストレス顆粒の消失を促す役割を果たしていることを発見した。ストレス顆粒を効率的に消失する手法を見い出せれば、神経変性疾患の新しい治療法開発に貢献できる可能性がある。

本成果は、2018年4月12日付けの英国の細胞生物学専門誌「Journal of Cell Science」電子版に掲載された。

研究成果

真核細胞は、熱・酸化ストレス^[用語2]・低酸素・低栄養・ウイルス感染などのストレスに曝されると、細胞内のメッセンジャーRNA（mRNA）^[用語3]の翻訳が停止する。翻訳停止中のmRNAは、RNA結合性タンパク質の一部と結合して集合し、細胞内部に直径1-2 μm（マイクロメートル）の顆粒を形成する。この顆粒は“ストレス顆粒”と呼ばれる。ストレス顆粒は翻訳停止中のmRNAの一時的な保管場所であるのみならず、細胞のストレス応答について必要な様々な反応の場として重要な役割を担っている。細胞が受けているストレスが解消すると、ストレス顆粒は消失し、保管されていたmRNAは再び翻訳に利用されるようになる。しかし、何らかの原因でストレス顆粒が消失せず過剰に蓄積する状態になると、筋萎縮性側索硬化症（ALS）などの神経変性疾患を引き起こすと考えられている。ストレス顆粒の形成や消失を調節する分子機構は、未だに不明点が多いのが現状だ。

研究グループは、細胞を44 ℃の環境で培養することによって形成されるストレス顆粒を詳細に解析し、多くのユビキチン化タンパク質が含まれていることを見つけた。この熱誘導性のストレス顆粒には脱ユビキチン化酵素であるUSP5とUSP13の2つが引き寄せられており、これらはストレス顆粒内の様々な種類のタンパク質のユビキチン化修飾をはずす役割を担っていた。USP5やUSP13の働きを人為的に抑えると、ストレス顆粒にユビキチン化タンパク質が過剰に蓄積するようになり、ストレスの解消後もストレス顆粒が消失しにくくなった。これら一連の研究から、この2つの脱ユビキチン化酵素がストレス顆粒の消失を促す働きをもつことが明らかになった。

背景と経緯

タンパク質のユビキチン化修飾は、標的タンパク質に小さなタンパク質“ユビキチン”が共有結合する反応である。多くの場合、すでに標的タンパク質に結合しているユビキチンに別のユビキチンが結合することにより、鎖状のユビキチンの重合体（ユビキチン鎖）が形成される。ユビキチン化修飾には標的タンパク質の分解を誘導したり、タンパク質複合体の形成を促進するなど様々な役割がある。

研究グループでは、ユビキチン鎖を分解する “脱ユビキチン化酵素” の研究を長年進めてきた。ヒトには脱ユビキチン化酵素が約90種類存在する。今回、2つの脱ユビキチン化酵素USP5とUSP13がストレス顆粒に局在することを見出し、この2つの酵素がストレス顆粒の調節に重要な役割を果たしていることを発見した。

今後の展開

ALSをはじめ、様々な神経変性疾患でストレス顆粒の構成タンパク質の遺伝子変異が見つかっている。最近の研究から、これらの遺伝子変異によってストレス顆粒が過剰に蓄積するようになり、神経変性疾患発症の原因になっていることが明らかにされつつある。今回、2つの脱ユビキチン化酵素がストレス顆粒の消失に重要な役割を果たしていることを明らかにした。この発見をもとに、例えばストレス顆粒に局在するこれらの脱ユビキチン化酵素の活性を高めるなどして、過剰に形成されたストレス顆粒を効率的に消失させる手法を開発できれば、神経変性疾患の新しい治療法の開発につながる可能性がある。

論文情報

掲載誌 :	Journal of Cell Science
論文タイトル :	Deubiquitylases USP5 and USP13 are recruited to and regulate heat-induced stress granules through their deubiquitylating activities
著者 :	Xie Xuan（解玄）、松本俊介、遠藤彬則、福嶋俊明、川原裕之、佐伯泰、駒田雅之
DOI :	10.1242/jcs.210856 Image may be NSFW. Clik here to view.

• プレスリリース ストレス顆粒の消失促す脱ユビキチン化酵素を発見Image may be NSFW.
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• 脱ユビキチン化酵素の基質特異性を改変することに成功 ―複雑なタンパク質の制御機構の一端を解明―│東工大ニュース
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• 駒田 研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 福嶋 俊明 Toshiaki Fukushima
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 駒田 雅之 Masayuki Komada
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 細胞制御工学研究センター
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 (IIR)
• 東京工業大学 生命理工学院 生命理工学系
• 研究成果一覧

要点

• 酸素とフッ素を構成元素に含む可視光応答型の新しい光触媒を開発
• アニオン複合化で得られる結晶構造を活用し太陽光の主成分を効率よく吸収
• 太陽光をエネルギー源に水から水素を製造、CO₂も有用化学物質へ変換

概要

東京工業大学 理学院 化学系の前田和彦准教授、石谷治教授、栗木亮大学院生・日本学術振興会特別研究員らは中央大学 理工学部の岡研吾助教と共同で、鉛とチタンからなる酸フッ化物^[用語1]が可視光照射下で光触媒として機能することを発見した。

酸フッ化物が例外的に小さなバンドギャップ^[用語2] を有していることから光触媒の可能性を検討して実現した。可視光照射下で、水からの水素生成や二酸化炭素（CO₂）のギ酸^[用語3]への還元的変換反応に対して活性となるため、幅広い分野での応用が期待される。

これまで、酸フッ化物はバンドギャップが大きく、可視光応答型光触媒として不向きと考えられていた。今回の前田准教授らの発見により、物質探索の対象にならなかった新たな材料群に、革新的光触媒機能を見い出せる可能性が見えてきた。

研究成果は2018年5月7日、アメリカ化学会誌「Journal of the American Chemical Society」オンライン版に掲載された。

研究の背景

太陽光に多く含まれる可視光を利用して、水や二酸化炭素を水素やギ酸などの有用物質に変換する光触媒は、30年以上も前から国内外で精力的に研究されている（図1）。このような可視光応答型光触媒として、同一化合物内に複数の陰イオン（アニオン）種が含まれる“複合アニオン化合物”が注目されている。可視光に応答する複合アニオン光触媒の研究対象は、これまで酸窒化物、酸硫化物、酸ハロゲン化物（Cl＝塩素、Br＝臭素、I＝ヨウ素）にほぼ限られており^{[参考文献1]}、酸素とフッ素をアニオン種として含む酸フッ化物はほとんど検討されてこなかった。

研究成果

前田准教授らは、酸フッ化物Pb₂Ti₂O_5.4F_1.2（鉛・チタン・酸素・フッ素）が可視光応答可能な狭いバンドギャップを特異的に有し、安定な可視光応答型光触媒となることを見出した。結晶構造解析の結果、Pb₂Ti₂O_5.4F_1.2はアニオン複合化により酸化物では安定的に得られないパイロクロア構造^[用語4]をとり、その構造の特徴として酸素―鉛結合距離が特異的に短くなっていることが明らかになった（図2）。

さらには、第一原理計算^[用語5]によるバンド構造解析により、同材料の価電子帯において酸素成分と鉛成分との混ざり合いが顕著なことを突き止め、この酸素―鉛結合がもたらす強いイオン間相互作用がバンドギャップの縮小に寄与していることがわかった。

今後の展開

電気陰性度^[用語6]が最大のフッ素を酸化物に導入しても一般的にはバンドギャップの縮小は期待できない。このため、これまでアニオン種として酸素とフッ素を含む酸フッ化物は可視光応答型光触媒の候補とはなりえなかった。

今回の“常識はずれ”な発見は、アニオン複合化で安定化されたパイロクロア構造中において、イオン間の相互作用が強く働いたことが起源となっている。同様の視点に立ったバンドギャップ縮小・光触媒機能の創出は、他の物質群でも実現可能であると考えられる。つまり、太陽光エネルギー変換を指向した光触媒開発に新たな設計指針を与えるものと期待される。

付記

本研究は東京工業大学すずかけ台分析部門の魯大凌博士、北陸先端科学技術大学院大学の前園涼教授、本郷研太准教授、京都大学大学院工学研究科の陰山洋教授のグループとの共同で行った。

本研究は、日本学術振興会 科学研究費補助金 新学術領域計画研究「複合アニオン化合物の新規化学物理機能の創出」（代表：前田和彦 東京工業大学 准教授）、新学術領域公募研究「簡便かつ安価な合成法を用いた新規Pb、Bi含有酸フッ化物の物質探索」（代表：岡研吾 中央大学 助教）科学技術振興機構CREST「太陽光の化学エネルギーへの変換を可能にする分子技術の確立」（代表：石谷治 東京工業大学 教授）等の助成を受けて行った。

論文情報

掲載誌 :	Journal of the American Chemical Society
論文タイトル :	A Stable, Narrow-Gap Oxyfluoride Photocatalyst for Visible-Light Hydrogen Evolution and Carbon Dioxide Reduction
著者 :	Ryo Kuriki, Tom Ichibha, Kenta Hongo, Daling Lu, Ryo Maezono, Hiroshi Kageyama, Osamu Ishitani, Kengo Oka, Kazuhiko Maeda
DOI :	10.1021/jacs.8b02822 Image may be NSFW. Clik here to view.

• プレスリリース 可視光で働く新しい光触媒を創出 ―常識を覆す複合アニオンの新材料を発見―Image may be NSFW.
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• 前田和彦准教授と中戸川仁准教授が第13回日本学術振興会賞を受賞│東工大ニュース
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• 石谷・前田研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 前田和彦 Kazuhiko Maeda
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 石谷治 Osamu Ishitani
• 理学院 化学系
• 研究成果一覧

発表のポイント

• 薄膜のコバルト層とパラジウム層の界面にて、薄膜の面に垂直な方向に磁石の向きが揃うメカニズムを明らかにしました。
• 薄膜界面のコバルトとパラジウムの電子軌道の形を、放射光^[用語1]を用いた磁気分光法（X線磁気円二色性（XMCD）^[用語2]）による元素別スペクトルの計測と理論計算から明らかにしました。特に、2つの元素に関して同条件で測定できる方法により、精密な測定に成功しました。
• コバルトとパラジウムの界面でのスピンと軌道の相互作用から垂直に磁化が揃うことを実証しました。本結果は界面原子の中の電子スピンと電子軌道を利用したスピン軌道工学（スピンオービトロニクス）の新しい研究に繋がることが期待されます。

発表概要

東京大学 大学院理学系研究科の岡林潤准教授、物質材料研究機構の三浦良雄独立研究者、東京工業大学 科学技術創成研究院 未来産業技術研究所の宗片比呂夫教授による研究チームは、コバルト（Co）とパラジウム（Pd）の薄膜界面に膜垂直方向に磁石の性質が生じるメカニズムについて、放射光を用いたX線磁気円二色性（XMCD）と第一原理計算^[用語3]により明らかにしました。特に、CoとPd原子内の電子軌道の形を明確にし、元素によって異なる役割を担っていることを実証しました。得られた結果は、磁性体と非磁性体が接合した界面に誘起される磁性に関する基礎物理学の理解を進展させるのみでなく、スピンを操作して低消費電力にて動作するスピントロニクス素子の設計においても重要な役割を果たすことが期待されます。

CoとPdの界面では、両元素の磁気的な相互作用により、膜面に垂直方向に磁化が揃うことが知られています。また、膜に垂直方向に磁化する材料は大容量の磁気記録デバイスには不可欠なものとして、スピントロニクス分野では研究されています。研究チームは、CoとPdの接する界面原子中の電子軌道の形を明確にし、Coでは外殻3d電子軌道の異方性が支配的であり、Pdでは外殻4d電子軌道には異方性がなく、3d系とは異なる四極子相互作用の形をとっていることが判りました。これを調べるためには、元素別に磁気状態を調べる必要があり、放射光を用いた元素選択的な磁性の検出手法が不可欠です。愛知県岡崎市にある分子科学研究所極端紫外光研究施設（UVSOR）のビームラインBL4BにてXMCDの測定を行いました。また、実験の一部は茨城県つくば市にある高エネルギー加速器研究機構放射光施設（フォトンファクトリー）において、東京大学 大学院理学系研究科 スペクトル化学研究センターが所有するビームライン（BL-7A）にて測定を行うことにより、CoとPdの軌道の異方性を明確にできました。実験結果は、第一原理に基づく理論計算とも一致し、界面に誘起される新しい磁性材料の創出に繋がることが期待されます。

本成果は、2018年5月29日（英国夏時間午前10時）に、英国科学雑誌「Scientific Reports」のオンライン版に掲載されます。なお、本研究は科研費基盤研究（S）「界面スピン軌道結合の微視的解明と巨大垂直磁気異方性デバイスの創製」、科研費基盤研究（B）「外場摂動印加時の磁気分光を用いた軌道磁気モーメントの操作に関する研究」の助成を受けて実施されました。

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図1.

（a）設計した構造の模式図。CoとPd層が原子レベルで堆積している。（b）Co、Pdの各元素における円偏光によるX線吸収スペクトル（上段)とX線磁気円二色性スペクトル（下段）。赤（実線）と青（点線）は左右円偏光の違いに相当する。（c）XMCDおよび第一原理計算から得られた界面近傍のCoとPd原子の軌道状態の模式図。

発表内容

強磁性体と非磁性体を交互に堆積した構造（磁気接合）は、磁気メモリーなどの記録素子やハードディスク内の磁気センサーとして広く用いられています。特に、薄膜の面に垂直方向に磁化の向きを揃えて磁気記録を行う技術は、高記録密度を達成するために重要です。これらの素子の最適化を進めることは、スピントロニクスの研究分野におけるデバイス開発では最も重要なことの一つです。磁石は本来、膜に平行方向に磁化が揃うことでエネルギーが低くなり安定します。一方、膜に垂直方向に揃う方が安定するCo/Pd界面のような特殊な物質も存在します。Co/Pd界面は、Coの磁石としての性質、Pdの重い元素としての性質が合わさって垂直磁化を示します。しかし、強磁性体Coと非磁性体Pdが接合した界面にて磁化が垂直方向に誘起される電子論的なメカニズムについて、今まで明確ではありませんでした。特に、Pdのスピン軌道相互作用が重要な役割を果たすとされてきましたが、軌道の役割については詳細については調べられていませんでした。

研究チームは、電子軌道が作る磁気モーメントを調べられるXMCDに着目しました。特に、CoとPdを1回の測定にて、同条件で比較できる特徴があることに着目し、軌道の異方性を詳細に調べました。方位に依存した軌道磁気モーメントの分布をそれぞれの元素について調べ、Coでは異方的な分布をしており、Pdでは等方的な分布であることが判りました。この解釈は、XMCDのみでなく、第一原理計算により明らかになりました。特に、界面のCoとPd原子中の電子の軌道混成により、Coの軌道磁気モーメントが膜垂直方向に大きくなることを見出しました。また、Pd原子中の電子では、スピンが反転した状態が四極子のように分布していることが安定であることを見出しました。これらのことは、FeやCoなどの磁石の性質を持つ3d元素とPd, Ptなどの貴金属の元素の性質が合わさって出現する垂直磁化の起源に迫るものであり、今後のデバイス設計に向けた界面の電子状態の理解に指針を与えるものとなります。

本研究は、磁気記録やスピントロニクスの研究にて広く用いられているCoPdを用いた材料設計、素子設計を行う上で、極めて重要な指針を与えるものです。また、近年注目を集めている界面でのトポロジカルな性質の観測、操作にも有用な研究基盤になりうるものです。垂直磁化を用いた高記録密度を可能にする素子設計、近接効果がもたらす界面での誘起磁性に関する研究の進展が期待されます。今後、界面のスピンと軌道状態を人工的に設計することができ、今までにない新しい磁石の性質の操作に関する研究が拓けるものと期待されます。

論文情報

掲載誌 :	Scientific Reports
論文タイトル :	Anatomy of interfacial spin-orbit coupling in Co/Pd multilayers using X-ray magnetic circular dichroism and first-principles calculations
著者 :	岡林潤、三浦良雄、宗片比呂夫
DOI :	10.1038/s41598-018-26195-w Image may be NSFW. Clik here to view.

• プレスリリース コバルトとパラジウムから成る薄膜界面にて磁化を膜垂直方向に揃える 界面電子軌道の形が明らかに ―スピン軌道工学に道―Image may be NSFW.
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• 室温で発光する円偏光スピンLEDの創製に成功―多分野への応用が期待される光源の登場―｜東工大ニュース
• 磁性で創る新しいフォトニクス材料とデバイス―弱い光で磁化が変化する光磁石の発見と応用―｜東工大ニュース
• 宗片研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 宗片比呂夫 Hiro Munekata
• 東京工業大学 科学技術創成研究院（IIR）
• 未来産業技術研究所
• フロンティア材料研究所
• 理学院 物理学系
• 東京大学 大学院理学系研究科・理学部
• 研究成果一覧

要点

• 脳の予測機能を利用し、予測と意図した結果とのずれにより発生する脳波から運動の意図を検出
• 使用者の負担が小さく100ミリ秒以内の高速度、85％の高精度で意図の読み取りが可能
• 四肢麻痺患者などが外部機器を操作するインターフェースへの応用に期待

概要

国立研究開発法人 産業技術総合研究所（理事長 中鉢良治、以下「産総研」）とフランス国立科学研究センター（理事長 Antoine Petit、以下「CNRS」）が共同で産総研 情報・人間工学領域（領域長 関口智嗣）に設置したAIST-CNRSロボット工学研究ラボ（研究ラボ長 Abderrahmane Kheddar）Ganesh Gowrishankar CNRS主任研究員、同領域 知能システム研究部門（研究部門長 河井良浩）吉田英一 副研究部門長は、国立大学法人 東京工業大学（学長 益一哉、以下「東工大」）科学技術創成研究院 小池康晴 教授、吉村奈津江 准教授と国立大学法人 大阪大学（総長 西尾章治郎、以下「大阪大」）大学院情報科学研究科 安藤英由樹 准教授と共同で、脳の予測機能を利用し、脳波から高速・高精度に思い描いた運動（運動意図）を読み取るブレーン・コンピューター・インターフェース（BCI）^[用語1]技術を考案した。

脳波から運動意図を直接読み取る従来のBCI技術では、精度を高めるための訓練を要したため、使用者の負担が大きかった。今回考案した技術は、運動を行う際に脳が運動を行った後の体の状態（運動結果）を予測する機能を利用している。運動を錯覚させる刺激を与え、運動意図から予測した運動結果と錯覚した運動結果のずれを脳波から読み取り、そのずれから運動意図を精度良く推定できる。前庭電気刺激（GVS）^[用語2]により運動を錯覚させて、脳波から左右への運動意図を推定する実験により、100ミリ秒以内の計測で、平均85％以上の精度で運動意図が推定できることが確認できた。訓練が不要で、負担が小さいため、四肢麻痺患者などが車いすなどの外部機器を操作するインターフェースへの適用が期待される。

なお、この技術の詳細は、2018年5月9日に米国科学雑誌Science Advances誌で発表された。

開発の社会的背景

脳から信号を読み取り、計算機につなぐインターフェースであるBCIの究極の目標は、思い通りに機械を操作できることである。例えば、腕を失った人がBCIにより義手を思い通りに動かせれば、大きな生活改善につながると期待できる。過去20年に渡り、多くのBCIの方法が提案されてきたが、個々人の脳波の特徴に合わせて装置を設定するための長時間の訓練や、また画像による視覚的な入力に反応して発生する脳波を検出するなど、追加の感覚刺激（認知的負荷）が必要である、という課題があった。

研究の経緯

産総研とCNRSが共同で設置したAIST-CNRSロボット工学研究ラボでは、BCI技術によるヒューマノイド操作や人間・ロボットの身体の共有感覚の解明などの先進的な人間・ロボット調和技術を開発してきた。一方で、東工大では脳信号解析技術を、また大阪大では脳への外部信号入力技術の開発を進めてきた。今回、共同研究により各機関の技術を結集して、長時間の訓練や追加の認知的負荷が不要で、より優れた推定結果を出す新しい運動意図の解析技術を開発することとした。

なお、本研究開発の一部は、産総研・CNRSロボット工学共同研究による支援を受けた。

研究の内容

人間は運動を行うとき、脳が持つ身体モデル（順モデル^[用語3]）に基づいて運動後の体の状態を予測して、意図した結果との誤差（予測誤差）が小さくなるように筋肉に運動指令を出すと考えられている。今回、この予測誤差が脳波に大きな影響を与えると考え、これを運動意図の推定に利用する新しいBCIの手法を考案した。この手法では、外部から感覚を刺激する装置を用いて錯覚させた運動の結果と、実際の運動意図から脳が予測した運動の結果との予測誤差を脳波から検出する。検出した予測誤差と、刺激によって錯覚させた運動から、運動意図を推定する。従来の手法は、使用者が意図する動きを脳波から直接的に解読する方法が用いられてきたが、開発した手法は解読する対象が予測誤差である点が異なっている。具体的には、錯覚を引き起こす人工的な感覚刺激装置（前庭電気刺激（GVS）） と脳波を用い、使用者が意図した動きと外部刺激によって錯覚した動きとが合致する度合いを評価して識別する。

この手法を実証するため、車いすの操作を想定した左右の移動方向を識別する実験を行った。まず、左右にあるスピーカーのどちらかから、高音ビープ音を鳴らし、脳波を検出するセンサーとGVSを装着し、車いすに乗った被験者に音が来た方向に曲がる動きをイメージさせた。その2秒後に、GVSを用いて、平衡感覚をつかさどる前庭器官に、合図とは関係なく左右どちらかにランダムに曲がる動きを錯覚させる刺激を与え、脳波を測定した。低音のビープ音を合図に、被験者は動きのイメージを止め、一回の測定が終了する（図1）。これを複数回繰り返し、意図した方向と錯覚させた方向が合っているかどうかの正誤情報を、測定した脳波から検出するための統計的な解析を行った。脳波から検出した正誤情報と、GVSからの入力方向を照らし合わせて、被験者がイメージした方向を推定した。すべての被験者について、刺激を与えてから96ミリ秒という短い時間で、高い推定精度（87.2％中央値）で運動意図を推定できた（図2）。なお、刺激は意識しきい値^[用語4]以下で、被験者が気づかない程度の弱い刺激であり、脳波から得られた正誤情報は脳により無意識に判別されたもので、被験者には追加の認知的負荷を与えていない。

この手法は、操作者の訓練を必要とせず、また操作者に認知的な負荷を強いることなく、従来よりも良好な精度で運動意図を推定できる。さらに、脳波の読み取りから推定までが、刺激を与えてから100ミリ秒未満で行えるため、リアルタイムで利用できる。

今後の予定

今後は、今回提案した手法を運動意図の表明が困難な全身麻痺患者のコミュニケーションツールとして使用できるかどうか、臨床での試験を開始する。また、既存のBCIと併用することで、特に運動制御に関して機能を向上させるための研究を行う。

論文情報

掲載誌 :	Science Advances
論文タイトル :	Utilizing sensory prediction errors for movement intention decoding: A new methodology
著者 :	Gowrishankar Ganesh, Keigo Nakamura, Supat Saetia, Alejandra Mejia Tobar, Eiichi Yoshida, Hideyuki Ando, Natsue Yoshimura and Yasuharu Koike
DOI :	10.1126/sciadv.aaq0183 Image may be NSFW. Clik here to view.
掲載日：	2018年5月9日

• プレスリリース 100ミリ秒以内に脳波から運動意図を高精度に推定する方法を考案 ―脳の予測機能を利用して、動きたい方向を読み取る新しい技術―Image may be NSFW.
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• アリのような動きをする六脚ロボットを制御│東工大ニュース
• 小池・吉村研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 吉村 奈津江 Natsue Yoshimura
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 小池 康晴 Yasuharu Koike
• バイオインタフェース研究ユニット リーフレットImage may be NSFW.
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• 科学技術創成研究院（IIR）
• 東京工業大学 工学院 情報通信系
• 研究成果一覧

工学院 機械系の鈴森康一教授、システム制御系の中島求教授がNHK総合「探検バクモン」に出演します。「探検バクモン」は爆笑問題が「立ち入り禁止エリア」や「超巨大施設の裏側」など、普段は入れない場所へ訪れ、幅広い探検を繰り広げる番組です。

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番組情報

• 番組名
  NHK総合「探検バクモン」
• 放送予定日
  2018年6月6日（水）20:15 - 20:43
• （再放送）
  2018年6月13日（水）4:02 - 4:30

• 「探検バクモン」NHK総合
• フジテレビ「ホンマでっか！？TV」に工学院の鈴森康一教授、塚越秀行准教授と学生が出演｜東工大ニュース
• BS-TBS「夢の鍵」に工学院の鈴森康一教授が出演｜東工大ニュース
• BSフジ「ガリレオX」に工学院の鈴森康一教授が出演｜東工大ニュース
• 攻殻機動隊リアライズプロジェクト「ザ アワード 2016」グランプリを鈴森・遠藤研究室が受賞｜東工大ニュース
• NHK Eテレ「バリバラ」に工学院の鈴森康一教授と学生が出演｜東工大ニュース
• 細く、しなやかな人工筋肉の大学発ベンチャーを設立｜東工大ニュース
• S字ストロークか？I字ストロークか？―最適クロール泳法のメカニズムを解明―｜東工大ニュース
• 最速のクロール泳法｜研究者への第一歩｜大学院で学びたい方
• 鈴森・遠藤研究室
• 中島研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 鈴森康一 Koichi Suzumori
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 中島 求 Motomu Nakashima
• 工学院 機械系
• 工学院 システム制御系

要点

• コラーゲン分泌を抑える脱ユビキチン化酵素USP8-STAM1を発見
• 巨大なコラーゲンを細胞内で運ぶ輸送体に付くユビキチンに作用
• 疾患の新たな治療法や産業用コラーゲンの効率生産に貢献する可能性

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 細胞制御工学研究センターの駒田雅之教授、福嶋俊明助教、大学院 生命理工学研究科 生体システム専攻の川口紘平大学院生（博士後期課程3年・研究当時）らの研究グループは、細胞がコラーゲンを分泌する仕組みの一部を解明した。コラーゲンは、私たちの皮膚や骨などほとんどの組織の形成にとって重要なタンパク質だ。細胞の中で合成されたコラーゲンは、他のタンパク質とは異なり専用の輸送体（特殊なタンパク質と脂質膜で覆われた袋）によって細胞内を運ばれ、細胞の外へ分泌されることが知られていた。

研究グループは、このコラーゲンの輸送体を形作るために重要な新しい酵素を発見した。この酵素は輸送体の大きさや細胞内での位置を制御しており、この酵素の働きを抑えると細胞内でのコラーゲンの輸送が活発になり、より多くのコラーゲンが細胞の外に分泌された。今回の発見をもとにコラーゲンの分泌を制御する手法を開発できれば、コラーゲンの異常で起こるコラーゲン関連疾患^[用語1]の治療法の開発や、産業用コラーゲンの生産性向上に貢献できる可能性がある。

本成果は、2018年5月15日付けの国際的な生化学専門誌「Biochemical and Biophysical Research Communications」に掲載された。

研究成果

細胞外マトリックス^[用語2]やホルモンなどの分泌タンパク質の多くは、小胞体膜上のリボソームによって合成され、小胞体内で折りたたまれる。その後、小胞体から出芽する直径約60～70 nm（ナノメートル）の小胞に積み込まれる。この小胞は、COPII^[用語3]というタンパク質複合体で覆われており、COPII小胞と呼ばれる。積み込まれたタンパク質はCOPII小胞によってゴルジ体へと輸送され、ゴルジ体で成熟したあと細胞外に分泌される。

細胞外マトリックスを構成するコラーゲンは、300～400 nmの巨大な繊維状タンパク質だ。その大きさから通常のCOPII小胞には積み込めないため、より大きなサイズの特別な輸送体によって運ばれる必要がある。このコラーゲンの輸送体もCOPIIで覆われているが、詳しい構造やその形成機構は未だに不明な点が多い。

研究グループは、COPIIに相互作用するタンパク質を調べ、USP8-STAM1複合体という脱ユビキチン化酵素を見出した。この脱ユビキチン化酵素は、COPIIに付加しているユビキチンという小さなタンパク質を取り除く働きをしている。ユビキチンが取り除かれたCOPIIは大きな輸送体を形成できなくなった。一方で、この脱ユビキチン化酵素の働きを抑えると、小胞体からのコラーゲンの運び出しが促進され、コラーゲンの分泌量が増加した（図1）。

最近、米国のカリフォルニア大学バークレー校の研究グループがCOPIIにユビキチンを付加する酵素（ユビキチン化酵素）を同定し、細胞にこのユビキチン化酵素を過剰に発現すると大きなコラーゲン輸送体の形成が促進することを示した。

この米国の研究と本研究の成果から、ユビキチン化酵素と脱ユビキチン化酵素のバランスによってCOPIIへのユビキチンの結合量が増減し、この結合量が増加するとコラーゲン輸送体の形成が促進してコラーゲンの分泌が盛んになるという新しいしくみが存在することを明らかにした（図2）。

背景と経緯

タンパク質のユビキチン化修飾は、標的タンパク質に小さなタンパク質“ユビキチン”が共有結合する反応である。多くの場合、すでに標的タンパク質に結合しているユビキチンに別のユビキチンが結合することにより、鎖状のユビキチンの重合体（ユビキチン鎖）が形成される。ユビキチン化修飾には標的タンパク質の分解を誘導したり、タンパク質複合体の形成を促進するなど様々な役割がある。

研究グループでは、ユビキチン鎖を分解する “脱ユビキチン化酵素” の研究を長年進めてきた。ヒトには脱ユビキチン化酵素が約90種類存在する。今回、そのうちの1つUSP8に着目して研究を進めた。これまでにUSP8が下垂体ホルモンの分泌に関与することを発見しており、USP8のタンパク質分泌における役割をさらに明らかにするため研究を進めてきた。その過程で、当初予想していなかった、脱ユビキチン化酵素がコラーゲンの分泌の調節に重要な役割を果たしていることを発見した。

今後の展開

コラーゲンには、骨や真皮に大量に含まれるI型コラーゲンや基底膜を構成するIV型／VII型コラーゲンなどがあり、骨や臓器を形成するうえで重要な役割を果たしている。

コラーゲンの分泌が不足すると、骨形成の異常や顔面の異形成を伴う「頭蓋―レンズ―縫合異形成（CLSD）」や「Cole-Carpenter 症候群」が引き起こされる。一方で、コラーゲンが過剰に分泌されると肝臓や腎臓などの組織の繊維化が起こり、機能が低下することが知られている。今回明らかになったメカニズムをもとに、USP8を阻害あるいは活性化することで、コラーゲンの分泌を促進や抑制する技術を開発できれば、これらコラーゲン関連疾患の治療に応用できる可能性がある。

コラーゲンは食品や化粧品、医療用の人工皮膚や人工骨の材料や医薬品安定化剤として産業利用されている。それぞれの用途にあわせて、家畜や魚類から精製されたコラーゲンや、培養細胞を用いて細胞工学的手法で産生されたコラーゲンなどが使われる。培養細胞中のUSP8の作用を阻害することによりコラーゲンの分泌を最大化する技術を開発できれば、新しいアプローチで産業用コラーゲンの産生効率の向上に貢献できると期待される。

論文情報

掲載誌 :	Biochemical and Biophysical Research Communications
論文タイトル :	Ubiquitin-specific protease 8 deubiquitinates Sec31A and decreases large COPII carriers and collagen IV secretion
著者 :	川口紘平、遠藤彬則、福嶋俊明、円由香、田中利明、駒田雅之
DOI :	10.1016/j.bbrc.2018.03.202 Image may be NSFW. Clik here to view.

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要点

• 世界初のLO移相方式による28 GHz帯5G向けフェーズドアレイ無線機を開発
• 安価で量産可能なシリコンCMOS集積回路チップにより実現
• 毎秒15ギガビットの無線伝送に成功

概要

東京工業大学 工学院 電気電子系の岡田健一准教授らは、第5世代移動通信システム（5G）^[用語1]に向けた28ギガヘルツ（GHz）帯無線機を開発した。新型の位相制御技術により、安価で量産が可能なシリコンCMOS（相補型金属酸化膜半導体）チップで製作し、5G向けフェーズドアレイ^[用語2]無線機の小型化に成功した。

開発した無線機は最小配線半ピッチ65 nm（ナノメートル） のシリコンCMOSプロセスで製作し、従来のCMOSチップによる28 GHz帯無線機に比べ、125倍の毎秒15ギガビットの無線伝送を達成した。また、電波の放射方向を0.1度の精度で調整できる高精度ビームフォーミング^[用語3]を実現した。スマートフォンに搭載可能な技術であり、5Gの普及を大きく加速させる成果といえる。

研究成果の詳細は、6月10日から米国フィラデルフィアで開催される国際会議RFIC Symposium 2018（IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium 2018（米国電気電子学会・無線周波数集積回路シンポジウム2018））で発表する。

※

本研究開発は総務省SCOPE（戦略的情報通信研究開発推進事業、受付番号175003017）の委託を受けて実施した。

開発の背景

2020年の東京オリンピック・パラリンピックに向け、第5世代移動通信システム（5G）の実用化を目指した研究開発が活発化している。この背景には、スマートフォンやタブレット端末の普及に伴い、高精細動画サービスなどによるデータ通信量が急激に増大していることや、IoT（モノのインターネット）や自動運転などの新技術により、無線通信に対しても多様な性能が求められるようになっていることがあげられる。

このような要求に応えるため、5Gでは、従来用いられているより10倍以上高い周波数帯であるミリ波^[用語4]を用いる無線通信技術の導入が計画されている。特に、5G用の周波数帯として、準ミリ波帯の26.5 GHzから29.5 GHz（28 GHz帯）の利用が検討されており、従来の100倍以上速い毎秒10ギガビットのデータ伝送速度が目標とされている。現状、大型の無線装置を用いた実証実験が行われているが、スマートフォンに搭載可能な安価で小型の無線機が期待されている。

課題

5G無線機をスマートフォンに搭載するには、無線機を小型の半導体集積回路チップとして実現する必要がある。安価で量産が可能なため、3G以降の携帯電話で本格的に利用されるようになったCMOS集積回路技術により実現できればコストが大幅に低減され、早期の5G普及が期待できる。

5Gでは電波の利用効率を上げるため、複数のアンテナを用いることで電波の放射方向を絞り込み、なおかつ、その放射方向を電気的に制御するビームフォーミングの技術に対応したフェーズドアレイ無線機が必要になる。ビームフォーミングを実現するには、高周波帯で位相を制御する方式と、デジタル信号処理により位相を制御する方式がある。後者は回路規模が大きくなり、消費電力も大きくなる欠点がある。前者は回路規模も小さく、消費電力も小さくできるが、位相制御のための移相器^[用語5]回路実現の難易度が高いことが課題だった。

高精度なビームフォーミングのためには、移相器による高精度な位相制御が必要になる。なおかつ、伝送速度向上のため、高い信号品質の確保が求められる。CMOS集積回路に移相器を組み込むには、従来方式は信号品質（伝送速度）、位相制御精度、回路面積がトレードオフの関係にあるため、5Gで目標とされる毎秒10ギガビットのデータ伝送速度の実現が困難だった。

研究成果

今回の研究成果はビームフォーミングに必要な移相器の小型化に成功したことによって達成した。28 GHz帯フェーズドアレイ無線機を65 nmのシリコンCMOSプロセスで試作し、4 mm×3 mmの小面積に4系統のフェーズドアレイ無線機を搭載した（図1）。

高周波帯での位相制御には、高周波（RF）変調波自体の位相を変化させるRF移相器を用いる方式と、搬送波となる局部発振器（LO）の信号の位相を変化させるLO移相器を用いる方式がある。図2のように、RF移相器を用いるフェーズドアレイ無線機は、位相の変化により信号経路での利得変動を起こすため、信号品質の維持が難しい。一方で、LO移相器を用いる無線機は、原理的に位相の変化により利得変動が起こらないため、高い信号品質が維持でき、伝送速度を向上できる可能性がある。表1に各方式の得失をまとめた。どちらの方式にもパッシブ型とアクティブ型があるが、アクティブ型は小型化の可能性がある一方で、LO移相器と組み合わせる場合には面積を小さくできないのが課題だった。

表1. ビームフォーミング方式の比較

今回開発した無線機は、RF位相方式ではなく、LO位相方式を採用し、新型のLO移相器を用いることにより上記の課題を解決した。新型のLO移相器では、ポリフェーズフィルタ^[用語6]と共振器を単一の増幅器として実現することにより回路の小型化に成功した。バイアス電圧により共振周波数を調整できるため、微少な位相制御が可能である。LO移相方式による5G向け28 GHz帯無線機の報告は世界初である。

開発したCMOS無線送受信チップは、5Gでの利用が想定されている26.5～29.5 GHzの周波数帯で利用でき、飽和出力電力^[用語7]は18 dBm（デシベルミリワット＝63 mW）だった。伝送実験のため、図1のCMOSチップを2個搭載した評価基板（図3）を作成した。8個のアンテナの利用が可能である。室内で、5メートルの距離を隔てて2台のモジュールを対向させ、データ伝送試験を実施した。その結果、毎秒15ギガビットのデータ伝送に成功した（表2）。このデータ伝送速度は従来報告されているCMOS集積回路による28 GHz帯無線機によるものの125倍である。

表2. 無線の伝送速度と変調精度

変調方式	256QAM			64 QAM	256 QAM
伝送速度	6.4 Gb/s			15 Gb/s	12.8 Gb/s
放射方向	0°	20°	50°	0°	0°
コンスタレーション	Image may be NSFW. Clik here to view.	Image may be NSFW. Clik here to view.	Image may be NSFW. Clik here to view.	Image may be NSFW. Clik here to view.	Image may be NSFW. Clik here to view.
変調精度 （送信）	-36.7dB (1.5%)	-36.3dB (1.5%)	-35.9dB (1.6%)	-27.9dB (4.0%)	-30.9dB (2.9%)
変調精度 （5 m OTA、送受信込）	-34.9dB (1.8%)	-33.4dB (2.1%)	-30.7dB (2.9%)	-25.2dB (5.5%)	-29.3dB (3.4%)

この際の消費電力は1チップあたり送信時1.2 W、受信時0.6 Wだった。また、本開発技術であるLO移相器を用いて、各アンテナからの送受信タイミングをずらすことにより、±50度の範囲で電波の放射方向を0.1度精度で調整可能であることを確認した（図4）。0度方向での等価等方輻射電力（EIRP8）^[用語8] は40 dBmだった。256素子のアンテナを用いれば、毎秒10ギガビットで15 kmの距離での通信が可能となる。

今後の展開

スマートフォンや基地局での利用をターゲットとして2020年頃の実用化を目指す。また、今後、5Gでの活用が予想される39 GHz帯や60/70 GHz帯など更なる高周波数帯への対応や、1つの装置に多数の集積回路チップを用いることを念頭に自己診断機能やキャリブレーション（調整）機能の搭載を目指す。

講演情報

国際会議 :	RFIC Symposium 2018（IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium 2018）Image may be NSFW. Clik here to view.
講演セッション :	Session RMo2A: 28 GHz Phased Arrays, Beamformers and Sub-Components for 5G Applications
講演時間 :	現地時間6月11日午前10時10分
講演タイトル	A 28 GHz CMOS Phased-Array Transceiver Featuring Gain Invariance Based on LO Phase Shifting Architecture with 0.1-Degree Beam-Steering Resolution for 5G New Radio （利得不変LO移相器により0.1度ビーム制御を可能とした28 GHz帯CMOSフェーズドアレイ無線機）Image may be NSFW. Clik here to view.

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