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加速度センサーによるつまずき場所の特定
高齢者の転倒予防のために
転倒による重篤な怪我を避けるために予兆である“つまずき”の多い場所を普段の生活者の行動から探すシステムを検討した。サンダルに埋め込んだ加速度センサーによりつまずいたことを、天井の赤外線センサーネットワークによってつまずいた場所を特定する。
研究の内容
高齢者の緊急搬送の約8割は転倒事故だそうである（2014年東京消防庁調べ）。衰えた身体能力に意識が追いつかず小さな段差や履物、衣服につまずく。転倒を検出する研究は多いが実際に転倒を起こしてからでは遅い。そこで、よくつまずく箇所を検出して転倒を誘引する原因を予め取り除くことを考えた。ウェラブル（身につける）な装置は物忘れや装着への心理的抵抗に関して、監視カメラなどのノンウェラブル装置では死角やプライバシィの保護に関して問題がある。本研究では、普段履きのサンダルなどに加速度センサーをとりつけて“つまずいた”ことを検出する一方、連動して働く天井に設置した赤外線センサーネットワークでその箇所を特定する。実験では転倒は容易に区別できたが、つまずきを通常歩行から区別する精度は現状1/4程度であるため今後精度向上が望まれる。
工藤 峰一 教授 Mineichi Kudo工学博士 -
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セメント硬化体の物質移動予測モデル
Prediction of transport properties of cement-based materials
コンクリートは、広くインフラとして使用されており長寿命化はサステイナブル社会構築のため必須である。それを実現するためには適切な性能予測技術が不可欠である。そこで本研究ではコンクリートを構成している硬化セメントペーストの物質移動予測を行った。
研究の内容
コンクリートなどの多孔体の物質移動性能は含まれる空隙量に依存しているが、空隙量のみだけでなく各相の空間配置も影響を及ぼしている。そこでコンクリートの物質移動性能を予測するために、その構成材料である硬化セメントペースト（HCP）の物質移動性能の予測を行った。HCPの断面を反射電子像で観察した結果を図１に示す。各相が分散している様子がわかる。これより各相を抽出し自己相関関数を計算を行い、これに基づき各相を3次元空間に配置を行い、図２に示す3次元イメージモデルを構築した。このモデルにより拡散係数を有限差分法によって算出した結果と実測値の比較を図3に示す。推定値と実測値は異なる試料においてもよく一致していることから、本モデルによる拡散係数推定手法によりセメント硬化体の拡散係数は予測可能であることが示された。
胡桃澤 清文 准教授 Kiyofumi Kurumisawa博士（工学） -
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オープンファシリティ
設備は「所有」から「共用」の時代へ
北海道大学が所有する高度な研究設備を学内外の研究者に開放し、共用化することにより本学及び地域の研究水準の向上に繋げることを目指す設備共同利用システムです。
研究の内容
約200台の研究設備が登録されているオープンファシリティは、利用設備の講習を受講すれば、利用者は利用料金だけで最先端設備を利用できます。また、操作方法や技術相談などにも、高度な技術力と豊富な知識を持ったスタッフが親身になってアドバイス致します。
装置利用の予約はWebページ「装置予約管理システム」で24時間受け付けます。
まずはホームページのメール送信フォームから利用希望装置についてお問い合わせ下さい。グローバルファシリティセンター Global Facility Center -
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鉄より丈夫なゲル
柔靱な複合材料
ガラス繊維と自己修復ゲルを複合化することによって、カーボン繊維強化プラスチック(CFRP)よりも丈夫なゲルを実現した。ゲルを母材とするため、曲げに対してはゴムのようにしなやかであるが、引裂きに対してはCFRPよりも靱性が高く、壊れにくい。
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ガラス織物複合PAゲルは金属、CFRP、セラミクスと比べて靱性が高く、柔らかい
研究の内容
我々が開発したガラス繊維複合ゲルは割れない、引裂けない、ちぎれにくいといった性質を示す。一般に、複合材料と言えばCFRPやガラス繊維強化プラスチック(GFRP)などが広く用いられている。これらの繊維強化プラスチック同様、繊維強化ゲルは繊維の特性により、引張に対しては硬く・強い性質を示す、一方で曲げに対してはゲルの特性を生かして柔らかく・しなやかにふるまう。また、母材に用いる自己修復性ポリアンフォライト(PA)ゲルは、変形に対して大きくエネルギーを散逸する機能を有しているため、単体でも丈夫である。さらにゲルが柔軟であるため、繊維と複合することによって、局部的な歪を繊維を介して遠くの母材まで伝えることができるため、結果として材料全体で大きくエネルギーを散逸する。つまり、著しく丈夫である。
黒川 孝幸 教授 Takayuki Kurokawa博士（理学） -
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流れと伝熱の数値シミュレーション
界面活性剤による乱流抵抗低減流れのモデル化とシミュレーション
界面活性剤添加による乱流抵抗低減流れのモデル化とシミュレーションを行い，抵抗低減メカニズムを明らかにする．また，同時に伝熱解析を行って流動特性と伝熱特性を詳細に調べる．
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摩擦係数のレイノルズ数依存性
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壁近傍（流れに直交する断面)の速度ベクトル（色は圧力)要素を添加することによって乱れが減衰している様子が分かる
研究の内容
水に微量の長鎖状高分子あるいは棒状ミセルを形成する界面活性剤を添加すると，乱流域での抵抗が著しく低減することはToms効果として知られている．微小なダンベル状要素で高分子を模擬したモデルを構築し，本モデルを用いて二次元チャネル内乱流のDNS（直接数値シミュレーション）を行い，Toms効果を再現した．また，この離散要素が縦渦減衰による抵抗低減機構と壁面近傍の付加応力による抵抗増加機構の2つの機構を内在していることを示した．さらに要素に強い力が加わった場合に，要素が切断される効果を加えることにより，抵抗低減が特定のレイノルズ数範囲で生じるという特徴を再現することができた．
黒田 明慈 准教授 Akiyoshi Kuroda工学博士 -
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柔軟かつ強靱なゲル
福祉時代の新素材
人間生活の質の向上が求められる時代において、材料はどうあるべきか。その回答がダブルネットワークゲルをはじめとする強靭なゲルである。強靭ゲルは医療機器・生体組織代替物・生体模倣物の“質”を大きく変革する。
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高強靭ダブルネットワークゲル
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歪応答性構造色ゲル
ガラスを用い部分的に圧縮している
研究の内容
従来、軟材料といえばエラストマーが広く用いられてきているが、生体との接点あるいは代替として利用する場面では含水性が決定的に重要な要素となる。含水材料は水の物性を強く反映するため、熱の伝わり方が生き物らしい・電磁波の吸収特性が生体に近い・表面の摩擦が非常に低いなど、生体組織にとてもよく似た物性を示す。含水性軟材料といえばゲルであるが、従来のゲルは機械的強度が低く応用が制限されていた。我々は含水率が90%でありながらトラックが乗っても壊れない高強靭性ダブルネットワーク（DN）ゲルの開発に成功し、ゲルの応用の可能性を大きく広げた。また、DNゲルの強靭性を解明していく中で、「犠牲結合原理」を見出し、様々な材料を強靭化するコンセプトに到達することができた。近年DNゲル以外の様々なタイプの強靭ゲルを開発している。
グン 剣萍 教授 Jian Ping Gong理学博士・工学博士 -
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電子スピン制御の物性定数を解明
次世代電子デバイスの研究・開発を加速
さまざまな半導体物性の中でこれまで未解明であった「スピン軌道相互作用」を、InGaAs半導体をベースにしたn型量子井戸構造に対して、ゲート電圧依存性を含めて定量的に明らかにしました。この成果は、次世代スピンデバイス開発のシーズとなります。
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図1 スピン回転の模式図。（a）スピンが回転していない、（b）ある向きにスピンが回転する状態、（c）（b）と反対向きにスピンが回転する状態を示している。
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図２ 電界効果型トランジスタ
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図３ 本研究に用いた希釈冷凍機
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図４ 本研究で明らかにしたスピン軌道相互作用係数のゲート電圧依存性。
（a）－（c）は図1のスピン回転の様子に対応している。
研究の内容
既存の半導体デバイスは、電子の「電荷」により動作します。一方で、電子は、「電荷」と共に「スピン」という小さな磁石としての性質を有しています。固体中電子のスピンは状況に応じて、ある向きに揃ったり（図１a）、特定の軸に対して回転したりします（図１bc）。次世代電子デバイスを実現するには、このような電子の「スピン」を半導体デバイス中で如何に制御するかが鍵となります。今回の研究では、インジウム、ガリウム、砒素をベースとした電界効果トランジスタ（図2）を利用し、希釈冷凍機（図３）を用いて実現する極低温（絶対温度20mK）環境で、電気的な測定を行うことにより、電子スピンの制御に必要な「スピン軌道相互作用係数」をはじめて厳密に決定しました（図４）。
古賀 貴亮 准教授 Takaaki KogaPh.D.（工学） -
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人類遺跡を文化資源・地域資源として活用する
わたしのマチにも「縄文エコミュージアム」を
遺跡を調査して、「エコミュージアム」の「サテライト」として〈整備保存〉することによって、その土地で暮らす人たちの地域資源として、また人類共有の文化資源として、日常的・持続的に活用するための実践と仕組み作りに取り組んでいます。
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噴火湾北岸縄文エコミュージアム（JEM）のイメージ
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解明された遺跡の内容に基づいた『JEMの人類史ストーリー』の1例
研究の内容
遺跡を開発工事のやっかいものとするのではなく、その土地で生活する人たちの地域資源として、また人類共有の文化資源として、価値転換します。そのために遺跡の一部を計画発掘して、「エコミュージアム」の「サテライト」として〈整備保存〉します。エコミュージアムとは、いわば屋根や壁を必要としない博物館です。サテライトとは野外にある展示対象です。その土地の人たちと共に、遺跡を「歴史遺産」へと整備保存しながら、その中で暮らすことに誇りを持ち、ホストとしてエコミュージアム活動に参画・参加します。遺跡の計画発掘は、地元の方々や教育委員会との連携の下に、大学の教育プログラムの一環である「考古学実習」として実施します。大学教育の一端を地域で実践することに意義を見出し、同時にそのこと自体がエコミュージアム活動の実践になります。
小杉 康 教授 Yasushi Kosugi文学修士 -
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超音波と微細気泡を用いた液体微粒化技術
液体微粒化量のアクティブ制御を目指して
超音波を液体中から液面に向かい照射することで、液面で液体の微粒化が起こります。近年、この現象に液面近傍に存在する微細気泡が関係していることが明らかとなってきました。我々は超音波による液体微粒化量を制御することを目指しています。
研究の内容
超音波を液体中から液面に向かい照射することで、液体の微粒化が起こります。微粒化された液体は、直径が数マイクロメートル程度の小さな液滴となります。この液体微粒化技術は、省エネルギーで均一な微細液滴を生成することができ，現在も私たちの身の回りで広く利用されています。液体微粒化のメカニズムは未だ完全には解明されていませんが，我々のこれまでの研究から、液面近傍に存在する微細気泡（マイクロバブル）が微粒化を促進することが明らかとなってきました。本研究では液体中の微細気泡数に注目し、超音波による液体微粒化量を制御することを目指しています。気泡数を適切に調節することで、これまで超音波で微細化することができなかった液体の微粒化や、液体微粒化量のさらなる促進を目指しています。
小林 一道 准教授 Kazumichi Kobayashi博士（工学） -
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小型空中映像表示システム
デスクトップで目の前に映像が浮いて見えて
直接触れる視覚提示システム従来、ディスプレイに表示されていた3DCGなどの映像を、空中に表示する小型映像表示システムを開発しました。デスクトップで目の前に浮いて見える映像に直接手を伸ばして触ることができます。
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空中映像表示システム
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空中映像とのインタラクション
研究の内容
立体視ディスプレイやヘッドマウントディスプレイ（HMD）などの性能向上が、3DCGや仮想現実（バーチャル・リアリティ：VR）の体験の質を向上させました。本研究ではそれらに続く次世代の情報インタフェースを研究しています。空中映像表示技術では、目の前の空間にディスプレイやゴーグルなどの設備はありません。また、ユーザが仮想空間に入り込むのではなく、現実空間に3DCGを表示することで、設備的にも視覚的にも自然な情報提示が可能となります。さらに、映像が見えている場所へ直接手を伸ばすことができるため、映像に触れたり動かしたりすることができます。この空中映像表示システムをデスクトップサイズで実現するとともに、それに適した映像コンテンツの作成技術も研究しています。
小水内 俊介 助教 Shunsuke Komizunai博士（工学） -
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新規なスピントロニクス・デバイスの探索および低次元電子ガスのエネルギースペクトラムの理論研究
省電力デバイスを目指して
トポロジカル絶縁体やスカーミオンと呼ばれるトポロジーが現象を支配している物質や構造を物性理論を使って研究している。同時に、その過程でこれらのトポロジカル絶縁体やスカーミオンを利用した新規なスピンデバイスの提案と実現を目指して研究しています。
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図1：トポロジカル絶縁体のバンド構造
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図2: 図1の電子密度の等高線図
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図3：Neel-typeのスカーミオンの構造の計算結果
研究の内容
現在主流のCMOS素子を性能面と電力面で超えるスピンデバイスを提案し、その性能を物性理論で解析する研究をしています。この研究によって、CMOSデバイスを超える性能を持ちながら、省電力なデバイスを創生することが主な研究目的です。普段は、新規なスピンデバイスの性能を計算するために、場の量子論や相対論を用いてスピン伝導率などを計算しています。現在、研究している対象はトポロジカル絶縁体とスカーミオンですが、トポロジカル絶縁体はバルクでは絶縁体であるが、表面のみ自発的にスピン流が流れる物質であるので、上手くデバイスに応用できれば、トポロジカル絶縁体自体は無散逸なので超省電力のデバイスの作製が可能になります。またスカーミオンは磁性体に発生する特異な渦であり、これも電流駆動することでスイッチの役割を果たすことが期待されます。
近藤 憲治 准教授 Kenji Kondo博士（工学） -
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動物の難治性疾病に対する新規制御法の開発
家畜・伴侶動物の慢性感染症や腫瘍に対する
抗体医薬・タンパク質製剤による免疫療法の開発難治性疾病では、生体内で病原体や腫瘍の排除機序が妨げられています。これは種々の免疫抑制因子が、免疫細胞を疲弊化させるためだと考えられています。本研究は免疫回避機構を標的とした製剤を開発し、動物の疾病の新規治療法として応用するものです。
研究の内容
研究目的： PD-1をはじめとする免疫抑制因子を標的とする動物用抗体医薬やタンパク質製剤の作製と治療法への応用。従来技術との比較・優位性：本アプローチは特定の疾病を対象とするものではなく、免疫抑制機序によって抗病原体・抗腫瘍効果が失われている疾患を広く対象とします。リンパ球を標的とした免疫療法ですので多機能的な免疫増強効果が期待されます。研究の独自性：獣医畜産領域において本アプローチに関する論文や臨床応用例の報告は未だありません。特徴：各抗体を樹立し、キメラ抗体として改変することで大量生成を行います。効果：有効なワクチンや治療法がない家畜(ウシ・ブタなど)や伴侶動物(イヌ・ネコなど)の疾病に対する新規治療法の提供を目指します。
今内 覚 教授 Satoru Konnai獣医学博士 -
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垂直離着陸型無人航空機
飛行機のように高速で飛行し、ヘリコプタのように
空中停止（ホバリング）可能な無人航空機飛行機のように主翼で揚力を得て高速飛行しつつ、ヘリコプタのようにホバリングできる垂直離着陸型無人航空機を実現しました。例えば災害発生時に素早く災害現場に飛行し、上空でホバリングしながら被災地の様子を撮影する、などへの応用が期待されます。
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テールシッタ型無人航空機
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飛行実験
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クアッドロータテールシッタ型無人航空機
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飛行実験
研究の内容
DHLやアマゾンが無人航空機による配送のテストを行うなど、無人航空機の産業応用が期待されています。これらの無人機にはマルチコプタと呼ばれるヘリコプタ型が使われていますが、固定翼を使って飛行機のように飛行することで効率よく高速で移動が可能となり、一般のマルチコプタと比較すると同じバッテリで遠くまで飛行することができます。
近野 敦 教授 Atsushi Konno博士（工学） -
