東北大学　研究シーズ集

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ら 行
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ら

〈LiDAR〉

困難な実環境下で機能するタフなサイバーフィジカルAI

 
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後付け運転ロボットを利用した大型ダンプトラックの自動運転
サイバー救助犬
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概要

身体性をもって実世界で稼働するサイバーフィジカルＡＩの重要性が急速に高まっている。特に、ＳＤＧsや災害などの我が国や世界が有する重大な社会課題や産業課題の解決に資する科学技術に対するニーズが顕在化している。サイバーフィジカルＡＩが困難な環境下で機能するための高度化、すなわち、システムの頑健性、柔軟性、適応性、それに基づく広い適用性を意味するタフ・サイバーフィジカルＡＩに関する研究開発を行っている。

従来技術との比較

災害救助や保守点検等は，作業者に危険が伴うこと、及び、作業精度の点で限界があった。そのような領域にAIやロボット技術を適用することで，これまで実現できなかった安全かつ高精度かつ迅速な作業が可能となる。

特徴・独自性
  • 困難環境を探査するアームを有するクローラ機構や球殻ガードを有するドローン機構の研究開発
  • LiDARやカメラや慣性センサを融合した高精細なセマンティック地図構築技術の研究
  • 過酷環境で認識や位置推定や地図構築（SLAM）や動作生成を行う頑健な知能化ソフトの研究開発
  • 既存の移動体に後付けで機器を搭載して自動化を行うレトロフィット技術の研究開発
  • 人とイヌのコミュニケーションやイヌの能力を拡張するAI・ロボット技術の研究開発
実用化イメージ

建設業，製造業，物流，ペット産業をはじめ，あらゆる業界と連携できる可能性がある。また，産業イノベーションや防災・災害対応の政策を推進する官庁，実証機会を提供できる地方自治体との連携が可能。

研究者

タフ・サイバーフィジカルＡＩ研究センター

大野 和則  

Kazunori Ohno

〈ライフサイクルアセスメント〉

エコマテリアルプロセス

 
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特徴・独自性
  • 溶融鉄合金・スラグの熱力学的性質、反応速度論、複合酸化物の相平衡など、鉄鋼を中心とした金属製造プロセスに関する物理化学的基礎研究、金属スクラップや廃棄物リサイクルの熱力学、スラグを利用した炭酸ガス固定化等、環境関連の研究を行っている。最近では、従来行ってきた素材製造プロセス工学に基礎を置く研究手法に、計量経済学、LCA、物質フロー分析などを融合させ、他に類を見ない独特の環境研究を展開している。
実用化イメージ

高炉、電炉鉄鋼メーカーとは従来より強く連携して研究を進めてきたが、スラグ等製錬副生物の高度資源化のために、非鉄メーカー、廃棄物中間処理事業者、行政とも連携していきたい。

研究者

未来科学技術共同研究センター

長坂 徹也  

Tetsuya Nagasaka

サプライチェーンを通じた資源利用と関連するリスクの可視化

 
 
 
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特徴・独自性
  • マテリアルフロー解析、産業連関モデルに基づくサプライチェーン解析により資源の流れを明らかにし、資源採掘・精錬・輸送に関わるサプライチェーンの各拠点、経路の各属性別リスクデータとの融合を行い、我が国の科学技術イノベーション政策、資源安全保障に寄与する知を生み出します。
実用化イメージ

これまで共同研究・連携を行った経験があるのは鉄鋼産業、自動車産業です。省資源化技術導入による環境影響評価を行いたい行政機関や事業者との連携も積極的に行っていきたいと思っております。

研究者

大学院環境科学研究科

松八重 一代  

Kazuyo Matsubae

〈ライフサイクル分析〉

サプライチェーンを通じた資源利用と関連するリスクの可視化

 
 
 
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特徴・独自性
  • マテリアルフロー解析、産業連関モデルに基づくサプライチェーン解析により資源の流れを明らかにし、資源採掘・精錬・輸送に関わるサプライチェーンの各拠点、経路の各属性別リスクデータとの融合を行い、我が国の科学技術イノベーション政策、資源安全保障に寄与する知を生み出します。
実用化イメージ

これまで共同研究・連携を行った経験があるのは鉄鋼産業、自動車産業です。省資源化技術導入による環境影響評価を行いたい行政機関や事業者との連携も積極的に行っていきたいと思っております。

研究者

大学院環境科学研究科

松八重 一代  

Kazuyo Matsubae

〈ラット〉

実験動物における脳波、心電図、自律神経信号などの生理学的計測

概要

実験動物を用いた基礎生理学の研究において、脳波、心電図、自律神経信号などを同時に計測することで、全身の動的連関を理解することに貢献する。これらの信号は、ヒトでも共通するものが多いため、有用な生理マーカーとしての指標の１つになると期待される。

従来技術との比較

これまでの生理計測では、脳のみ、心臓のみ、など単一の臓器を扱ったものであったが、本技術では、すべての信号を同時に計測できる点が強みである。

特徴・独自性
  • 中枢末梢連関を介した生体応答が、いつ、どこで、どのように生じるか、より直接的に解析し、定量的に評価できる
  • 他の分子生物学や生化学実験との融合が自由に行える
  • 3Dプリンターなど工学的な利点も活かして、標的領域を自由に選択できる
実用化イメージ

生理信号は、動物とヒトでも共通するものが多いため、臨床診断やこころの読み取りなどを目指した指標の選定、デバイス開発への貢献が期待される。

研究者

大学院薬学研究科

佐々木 拓哉  

Takuya Sasaki

〈ランプエレメント分離〉

溶融鉄中のトランプエレメント分離方法

 
 
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概要

溶融鉄中のトランプエレメント分離方法
https://www.t-technoarch.co.jp/data/anken_h/T20-1058.html

従来技術との比較

特徴・独自性
  • 　鉄スクラップを用いたリサイクル製錬は炭素使用量およびCO2排出量を現行法と比較して大幅に低減でき、現在増加している鉄スクラップ蓄積量の低減に有効な手段である。　
  • 　しかし、特にトランプエレメントと呼ばれるCu, Ni, Sn等の、酸化除去および蒸発除去が困難な元素が混入することにより、鉄鋼材の特性や加工性が劣化してしまうという問題があり、トランプエレメントは鉄スクラップを再利用するたびに濃化するため、鉄スクラップの再資源化率を上げられない原因となっている。従来法として硫化物フラックスを用いた脱銅法が広く検討されているが、大量の硫化物を用いたバッチ処理になることが問題である。
  • 　本発明は電気化学的手法を用いて溶融鉄中のCuの溶融スラグ中へのイオン化分離を促進する技術であり、原理上連続処理が可能となる。さらに溶融鉄の高純度化のみならず、回収した電析銅のリサイクルも考えられる。
実用化イメージ

・鉄スクラップを用いたリサイクル製錬　
・連続的なトランプエレメント除去

研究者

多元物質科学研究所

夏井 俊悟  

Shungo Natsui

〈乱流遷移〉

表面をデコボコにして流れをきれいに保つデバイス

 
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概要

　最適に設計されたデコボコ（SRE）を物体表面に加工することで空気や水による摩擦抵抗を低減する技術です。巡航状態の航空機のように、ほぼ一定速度の流れの中におかれた物体に適用が可能であり、流れと鋭⾓をなす翼や円柱、回転円盤や円錐などに応用できます。流れの安定性解析・CFD解析を用いた高精度な設計と、物体表面の微細加工技術（数百マイクロスケール）が必要となります。

従来技術との比較

すでに乱流状態になった境界層に対してはサメ肌加工やリブレット加工などが抵抗低減技術として知られてますが、本技術は乱流状態への遷移自体を抑制して層流に保つことができます。

特徴・独自性
  • 物体周りの流れ（境界層）が乱流になるのを抑制し、摩擦抵抗を低減する効果があります。
  • 物体表面に微細な凹凸を付加的に加工するだけなので、電力を消費せず、既存の装置の設計変更を必要としない制御デバイスです。
  • 想定される流れ場に合わせて最適に設計すれば、その環境下で空力性能が向上します。
実用化イメージ

民間航空機の主翼などに実装すれば、空気摩擦抵抗が低減し、低燃費化・CO2排出削減への貢献が期待できます。

研究者

流体科学研究所

廣田 真  

Makoto Hirota

り

〈リード〉

指定難病を治療する薬剤候補の探索

概要

電気生理学的手法と効率的かつ段階的なスクリーニング法を組み合わせたハイスループット電位依存性ナトリウムチャネル（Voltage-gated sodium channels, Nav）阻害剤スクリーニング法を確立した。本事業では化合物ライブラリーや生物材料を提供して頂き、神経障害性疼痛や各種心臓病等を治療するNav阻害剤を探索する。

従来技術との比較

Navの挙動観察用に開発されたハイスループット系はNav電流を直接、観測していないため、偽陽性反応が生じる欠点をもつ。本事業ではNav電流を直接、観測でき、Nav阻害作用の有無を正確に評価できる電気生理学的手法に対してハイスループット性を保持させた革新的な戦略を適用する。そのため、見い出された物質そのものが薬剤候補となると考えている。

特徴・独自性
  • 電気生理学的手法は0.01秒程度の超短時間で開閉し、1細胞あたり僅か109分の1アンペア（1 nA）程度のNav透過電流を観測する戦略である。高い専門性を必要とする電気生理学的手法は阻害作用の有無を正確に評価でき、薬剤候補を探索する手段として独自性が高い。本手法に、４段階で構成される効率的かつ段階的なスクリーニング法を組み合わせる。化合物ライブラリーをグループに分けて実施する第１段階、陽性グループ中の化合物を連続投与する第２段階では、複数のNavサブタイプを安定発現し、ハイスループット性に秀でたNeuro 2A細胞を用いる。続いて、単一Navサブタイプを発現させたHEK293T細胞に単一化合物を投与する第３段階、電気生理学的に［静止―活性化―不活性化］状態にある各Navを抽出し、単一化合物によりいずれの状態が阻害されるかを調べる第４段階を経て完了する。この特徴的な最終段階は作用機序解明を実現する生理活性測定戦略と位置付けられる。
実用化イメージ

先天性筋無力症候群、非ジストロフィー性ミオトニー症候群、ドラべ症候群など患者数が少なく収益を得られにくい指定難病や心臓疾患の治療に貢献する。

研究者

大学院農学研究科

此木 敬一  

Keiichi Konoki

〈リアルタイム〉

生体用モーションキャプチャシステムの開発

 
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特徴・独自性
  • 生体に関する様々な運動を非接触かつ非侵襲的に計測することが可能な生体用モーションキャプチャシステムの開発を行っています。口腔内など遮蔽された空間でも利用可能な磁気式システムでは、最新の磁気工学技術によるLC 共振型磁気マーカを利用し、外部からの磁場印加によるシステムのワイヤレス化を実現しました。さらに光学式システムでは小型軽量の赤外線反射マーカを利用し、250ヘルツにて50 箇所までリアルタイムでの同期的計測が可能なシステムの開発に成功しています。
実用化イメージ

本システムでは生体に関する様々な動作解析が可能で、非接触かつ非侵襲的な動作解析を必要とする診断・医療機器などへの応用が可能です。条件に合わせてシステムを特化することもできるので、本システムを活用したい企業や団体との共同研究を希望します。

研究者

大学院歯学研究科

金髙 弘恭  

Hiroyasu Kanetaka

〈リアルタイム解析〉

計測融合シミュレーションによる複雑流れの解析に関する研究

 
 
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特徴・独自性
  • 流れ場のもつ膨大な流体情報をリアルタイムで獲得するためのコンピュータと実験計測を融合した新しい流体解析手法である「計測融合シミュレーション」に関する研究を行っている。本手法は、流れ場の計測データと対応するシミュレーション結果の差を数値シミュレーションにフィードバックすることにより、実現象の流れを正確に再現できる。本手法は、医療分野での血流のリアルタイム可視化、自動車等の複雑形状物体周りの流れ解析、原子力配管系内流れのリアルタイムモニタリング等、複雑な流れ場を高精度かつ高効率に再現することが必要とされる問題に広く適用可能である。
  • 本研究に関して興味のある企業へ学術指導を行う用意がある。
実用化イメージ

研究者

高等研究機構学際科学フロンティア研究所

早瀬 敏幸  

Toshiyuki Hayase

〈リウマチ〉

Ｘ線位相イメージングによる高感度医用診断装置の開発

 
 
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特徴・独自性
  • 通常のＸ線透視撮影は生体軟組織などのＸ線をあまり減衰させない構造に対して明瞭なコントラストを生成しない。Ｘ線が物質を透過するとき、わずかに屈折により曲げられる。通常のＸ線透視撮影では、Ｘ線は直進していると近似しているが、この屈折を検出・画像化することで、軟組織に対する感度が大幅に改善される。このような撮影を、Ｘ線透過格子を用いるＸ線Talbot 干渉計あるいはＸ線Talbot-Lau干渉計により実現している。
実用化イメージ

すでに、軟骨描出能を使ったリウマチ診断、および、乳がん診断（マンモグラフィ）への適用を目的とした医用機器開発を進めている。他の医用用途が開拓できれば、新たな産学連携が構築できると期待している。

研究者

多元物質科学研究所

百生 敦  

Atsushi Momose

〈力学的異方性材料〉

形状制約のない力学的異方性材料の簡易な弾性定数計測手法の開発

 
 
 
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2024年７月９日（火）新技術説明会
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概要

従来技術との比較

特徴・独自性
  • 本弾性定数計測手法は、任意の弾性定数を入力値に用いて共鳴振動解析を行い、振動実験から得られた共鳴振動数と各振動様式が解析結果と一致する入力弾性定数を逆解析的に求める手法です。材料種、材料形態および計測環境の制約を伴わない計測手法の構築を目指しており、金属材料・セラミックス材料・高分子材料・複合材料、顕微鏡サイズ材料・薄膜材料・異種接合材料および高温環境下なども研究対象としています。
実用化イメージ

本研究を発展させるためには、企業の課題と我々の課題との間のギャップを埋める必要があり、知識の相互補完なしでは目的を達成することができない研究開発テーマです。是非、抱えている課題や困難をお教えください。

研究者

大学院工学研究科

山本 剛  

Go Yamamoto

〈力学的親和性〉

低ヤング率を有する新規CoCr系生体用超弾性金属材料

 
 
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特徴・独自性
  • 一般的に使用されているステンレス鋼および従来のCoCr合金などの生体用金属材料は、生体骨より10倍もの高いヤング率を示し、インプラントによる骨の萎縮現象が問題視されている。β-Ti合金は比較的に低いヤング率を示すが、耐摩耗性が低い。本新規CoCr系合金は、低ヤング率と高耐摩耗性の両立を初めて実現した。さらに、耐食性が優れ、17%以上の超弾性歪みも示すことから、次世代生体材料として有望である。
実用化イメージ

生体骨と同程度の低いヤング率、高い耐食性と耐摩耗性および優れた超弾性特性の 4 拍子そろった本 CoCr 系生体材料は、人工関節、ボーンプレート、脊髄固定器具やステントなどへの応用が期待される。

研究者

大学院工学研究科

許 皛  

Xiao Xu

〈力学特性〉

ナノスケールの構造と組成不均一性を利用した鉄鋼材料の組織制御

概要

安全性を確保しつつ、自動車の燃費改善または構造物の小型化を実現するため、最も多く使われている鉄鋼材料の高強度化が求められる。これまで合金組成や熱処理プロセス条件を変えることで材料全体の平均的な組織制御が行われてきたが、ナノスケールの組織制御が未成熟である。本研究では、これまでの実験調査で困難であったナノスケールの構造・組成不均一性の生成挙動を調査し、高強度鋼組織制御の指針構築に取り組んだ。

従来技術との比較

従来では鉄鋼材料の組織制御は経験的な条件に基づくことが多いが、本研究では熱力学・速度論・結晶学などの知識に基づき鉄鋼材料におけるナノスケールの組成・構造不均一性の挙動を解明した。

特徴・独自性
  • 様々な先端技術を組み合わせた多面的解析手法で実験調査を行い、ナノスケールの構造・組成不均一性の生成挙動を調査した。
  • 実験結果をもとに、熱力学・速度論・結晶学などの観点で解析を行うことにより、その不均一性におよぼす諸因子の影響を解明した。
  • 実験解析に留まらず、熱力学データを活用してその挙動の再現、さらに予測ができるような理論計算も同時に実施した。
実用化イメージ

鉄鋼材料の高強度化に基づき、自動車をはじめとした輸送機器の軽量化または構造物の小型化が可能となり、素材製造や輸送分野のCO2削減の観点でカーボンニュートラルの実現への貢献が期待される。

研究者

金属材料研究所

張 咏杰  

Yongjie Zhang

〈陸域〉

地表面の状況を高精度に抽出できます

 
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概要

ドローン等を利用して得られる高さ情報を用いて、植生等の地表面の利用状況を容易に把握することができる地表面合成画像作成方法を提供する。

従来技術との比較

・合成画像は、RGBの３チャンネル画像として得られるため汎用性が高い。
・フリーの画像処理ソフトウェアの利用が可能

特徴・独自性
  • RGB画像と高さ情報の合成
  • 簡便な手順
  • 一般的な深層学習のプログラムの使用が可能
実用化イメージ

・植生（屋敷林や公園の樹木や植栽）の把握、維持管理
・災害調査（倒木など）
・建物や太陽光パネル等の人工物調査

研究者

大学院農学研究科

米澤 千夏  

Chinatsu Yonezawa

〈リグノセルロース〉

バイオものづくりによるグリーンクロステック研究

 
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概要

ソルガムは本州でも約４〜５m程度まで成長する世界生産量第４位のイネ科植物である。また、ソルガムは乾性と湿性のものがあり、湿性からは糖蜜が搾れる。そこで福島国際研究教育機構（F-REI）プロジェクトの一環として、福島浜通りの営農休止地においてソルガムを栽培し、搾り汁と搾り粕をそれぞれカスケード活用することでカーボンニュートラルなグリーンケミカル（トランスアコニット酸、ブタノール）を製造する。

従来技術との比較

再生航空燃料（SAF: Sustainable Aviation Fuels）の製造では、微生物によってCO2とH2からエタノールを生合成し、化学反応によってエチレンを合成した後、重合・水素付加してSAFを製造している。本技術では、ソルガム搾り粕などリグノセルロースを原料として、微生物変換プロセス（Consolidated Bioprocessing）によってバイオブタノールの増産化が可能になる。

特徴・独自性
  • 植物は光合成によってCO2を吸収・固定し、さまざまな形の炭化水素を蓄積する。このリグノセルロースを完全利用することができれば、カーボンニュートラルを実現することができる。リグノセルロースの分解・糖化は当研究グループがゲノム解読した嫌気性セルロソーム生産菌Clostridium cellulovoransを活用し、この菌にブタノール発酵Clostridium属細菌を組み合わせることで１つのタンク内でリグノセルロースからブタノールを取得することができる。
実用化イメージ

本微生物変換プロセス（CBP）が事業化できれば、得られたグリーンなブタノールからSAF製造が可能になり、国内生産ができれば自動車・航空業界、物流産業やインバウンドを含む観光産業にも貢献できる。

研究者

グリーン未来創造機構

田丸 浩  

Yutaka Tamaru

〈リコンビナント近交系マウス〉

膠原病の遺伝的素因を有するリコンビナント近交系マウスの開発

 
 
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特徴・独自性
  • MRL/lprとC3H/lprマウス由来の8系統のリコンビナント近交系(RI)マウスMXH10/Mo-lpr/lprを樹立した。このRIは、腎炎、関節炎、唾液腺炎, 血管炎、自己抗体の産生等の病変を系統ごとにランダムに発症する世界で唯一のRIである。2系統のゲノムをホモの状態でランダムに保有し、遺伝子型地図をもとに各系統の表現型や投与された薬剤の影響を比較し、原因遺伝子領域の同定が可能である。
実用化イメージ

自己免疫疾患の診断・治療薬の開発。免疫チェックポイント阻害剤による免疫学的有害事象の発症メカニズムの解明と発症予防薬の開発に応用可能で、製薬会社、検査試薬会社等との産学連携が可能である。

研究者

大学院医工学研究科

小玉 哲也  

Tetsuya Kodama

〈リサイクル〉

麹菌を用いた生分解性プラスチックの分解リサイクル

 
 
 
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特徴・独自性
  • カビの一種で醸造・醗酵に用いられる麹菌Aspergillus oryzaeの固体表面への生育能と、大規模な麹菌工業培養設備（100万トン/年）に着目し、麹菌による生分解性プラスチック（生プラ）の高速・高効率分解と、原料モノマー回収が可能なリサイクル技術の開発を行っている。我々は、麹菌が生プラ固体表面に生育する際に界面活性蛋白質群を大量分泌し、界面蛋白質群が固体表面に吸着した後に生プラ分解酵素を特異的に吸着し固体表面に分解酵素を濃縮することで分解を促進する新規分解促進機構を見出した。また麹菌の産生する界面活性蛋白質は、免疫応答しないことから、医療用ナノ粒子の被覆材として利用可能である。
実用化イメージ

大型発酵設備に適用した工業技術の開発、及び界面活性蛋白質群・酵素等の化成品( 医療用ナノ粒子素材等) への応用開発を展開している。

研究者

大学院農学研究科

阿部 敬悦  

Keietsu Abe

難処理性高分子廃棄物の化学リサイクル

 
 
 
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特徴・独自性
  • PET、PVC、HIPS 等の廃プラスチックを、付加価値の高い化学物質への転換を目的に、乾式及び湿式プロセスで種々の高分子廃棄物リサイクルの研究をしている。例えば、PETの脱カルボキシル化にて、高収率でベンゼンを得ることに成功。また、難熱性プラスチックやPVC の脱ハロゲン化プロセスを開発し、炭化水素として燃料利用等を検討している。さらに、抗菌性やイオン交換特性を付与することを目的に、PVC の塩素の一部を官能基で化学修飾する研究をしている。また、HIPSの熱分解による脱ハロゲン化で、高収率でスチレンを得ることができる。これらの技術を用いて、金属・プラスチック複合物から金属とプラスチックを効果的にリサイクルする化学プロセスを構築している。
実用化イメージ

廃棄物のリサイクルプロセスの開発に付随して起こる諸問題を解決するための方法を提供することができる。

研究者

大学院環境科学研究科

吉岡 敏明  

Toshiaki Yoshioka

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