学科構成員一覧表

動的システムの運動制御に関する研究を行っています。最近、取り組んでいる研究テーマについて以下に紹介します。
（１） 倒立振子系の振り上げ安定化制御
DCモータで駆動される台車系に自由に回転する振り子が取り付けてある実験装置があります。台車の移動距離には、例えば、±4cmという制限があり、この制限内で振り子を垂下点から倒立点近くまで振り上げ、そこで安定化する（倒立状態を保つ）という制御問題です。振り子の振り上げ制御には振り子の力学エネルギ（位置エネルギ＋運動エネルギ）を倒立状態まで上げるというエネルギ制御を行い、倒立点近くでは、安定化制御を行います。いずれも、変数の計測・推定と制御入力の計算・出力を短時間（サンプリング周期は1ms）で繰り返すフィードバック制御方式で行います。
（２） 構造系の制振制御
高層ビルの模型（１階建て、または、２階建て）のフロアにDCモータで駆動される錘があり、限られた振幅で錘を動かす反力を利用して構造物の揺れを抑えるという制御問題です。構造物の模型は振動台に設置され、振動台によって、種々の周波数の正弦波上の振動を与えることができます。特に、構造物の固有振動数で振動台が振動するときには、構造物の振動が非常に大きくなり、場合によっては、構造物が破壊されます。そのようなとき、各フロアの錘を適切に動かせば、構造物の振動を抑えることができます。この場合、フィードバック制御に必要な変数は、各フロアと錘の変位と速度です。実験装置では、錘の変位、フロアの加速度をセンサーで測定し、それらから制御に必要な残りの変数を推定しています。

その他、次のような研究テーマがあります。
（３） ボールビーム系の安定化制御
（４） 共吊りクレーン系の搬送制御
（５） むだ時間のある振動系の搬送制御
（６） 舵角と舵速度の制限を考慮した船の変針制御
（７） 二重倒立振子系（並列、直列）の搬送制御
（８） むだ時間のある水槽系の液面制御
（９） 回転型倒立振子系の振り上げ安定化制御
（１０）門型クレーン系の搬送制御
（１１）回転型クレーン系の搬送制御
（１２）二輪型倒立振子系の安定化制御

https://www.youtube.com/watch?v=_WkDzWXCtlM

当研究室は、熱流体工学という分野で「熱」や「流れ」をキーワードにコンピュータシミュレーションを中心に研究をしています。具体的なターゲットは航空機、ロケット、自動車のエンジンがメインです。

(1)エンジン内部の高温になるガスの流れの研究
燃焼を伴う複雑流れをエンジンの中でどのように作りどのように流せばいいかを研究しています。化学反応の計算をしたり、噴霧の計算をしたり、タービン翼周りの流れの解析をしたりしています。

(2)耐熱金属材料の研究
高温ガスの流れに耐える耐熱合金の研究をしています。主に製造プロセスの最適化を目指しており、溶融金属の流れ挙動、凝固挙動、組織形成をシミュレーションしています。最近話題の金属積層造形（3Dプリンティング）の研究もしています。

(3)自作ジェットエンジンの研究
研究室で学生が中心になって小さなジェットエンジンを作っています。燃焼試験には成功しています。興味のある人はこの動画を覗いてみてください。

https://www.youtube.com/watch?v=0C26xYKGmzU&t=3s

本研究室では、機械要素及び機械システムの静・動的な運転特性や設計上の強度計算問題などの未解決問題の解決を研究目標としています。

特に航空機用薄肉構造歯車装置、大型産業ロボット用ピン歯車装置（サイクロイド減速機やトロコイド減速機とも呼ばれている）、小型産業ロボットや宇宙開発用波動歯車装置、風力発電用増速機及び一般用途の遊星歯車装置の静・動的な運転性能（振動・騒音・伝達精度・効率など）及び接触強度の理論解析に関する研究を展開しています。

以上の歯車装置の強度・振動問題を理論上で解析できるようにするために本研究室教員は35年以上をかけて専用有限要素法及びソフトウェアの開発を行ってきました。2021年に“Microsoft Academic”の統計により，本研究室の研究は“Contact Analysis”分野で世界6位，また“Finite Element Method”を用いた“Contact Analysis”分野で世界１位にランキングされています。

本研究室では、一般的な機械システムの幾何学設計、強度と寿命、振動と騒音、潤滑と効率などに関する問題も研究しています。将来、研究対象となる機械装置の運転特性と強度解析法などの問題を完全に解決し、より強く、より優れた機械システムを設計できることを目指しています。

【アクティブ吸振器による制振制御】
搬送台車の回避行動によって発生する搬送物の振動を制振するアクティブ吸振器の開発を行っている．アクティブ吸振器を用いることにより，不整地や傾斜面上を搬送車が走行した際にも搬送物を安定に，かつ，安全に搬送することが可能となる．特に，移動部分の軽量化が図れ，高速で高精度な位置決めを行うことができるパラレルリンク機構を有するアクティブ吸振器の開発を目指している．

【移動ロボットによる制振搬送制御】
搬送物の振動や荷崩れを考慮した搬送経路設計ならびに障害物回避を行っている．搬送物としては，振動しやすい液体タンクを対象としている．移動ロボットの適切な速度制御と経路設計により，液面を揺らさずに搬送することが可能となる．障害物を回避する際にも搬送物の振動を考慮した回避アルゴリズムを構築する必要がある．

【操縦者の嗜好性に即した操縦特性調整】
クレーンや電動車椅子などの機器を操縦する際，操縦者によって好みの操作性に違いがある．そこで，ニューラルネットワークを用いたAI技術を利用し，各操縦者の好みに即した操縦特性が得られるようにオンラインで調整する方法を開発している．

〇「やわらかい材料」と「しなやかな構造」の力学機能をデザインする

従来の機械は、金属やセラミックスなどの硬い材料や剛な構造を持っているイメージが強いと思います。反対に生物では、柔らかい材料で構成された繊維や膜などの柔軟な構造が多数見受けられます。私たちの研究室では、究極の機械とも言える生物に本来備わっている「やわらかさ」や「しなやかさ」に着目した材料と構造の力学機能に関わるデザインの研究を行っています。

例えば、最近流行していたタピオカは，ゲルと呼ばれる高分子材料の一つです。ゲルは水分を吸収したり、乾燥したりすることで体積が変化します。さらに、ゲルは周囲の温度やpHなとに応答して、大きな変形をすることもできます。この特性を利用して、薬剤をゲルで包み込んだドラッグデリバリーシステムへ応用されています。必要な場所で、必要な量を、必要な時に薬剤を放出するためには、その周りを包んだゲルがどのような変形や破壊を生じればよいのかを「やわらかい」材料と「しなかやか」構造の力学学理にもとづいてデザインする研究を行っています。

この力学学理はソフトロボティクスや固体燃料電池などのデザインにも応用されます。筋肉のようにしなやかな動きを実現するアクチュエータを開発するために、やわらかい材料で柔軟な多数の高分子フィラメントをロープのように撚り合わせた構造のデザインなどを探求しています。また、燃料電池車に使用される水素を燃料とした固体燃料電池中の膜電極接合体と呼ばれる部材では、発電量で変化する水の吸収と乾燥を繰り返すことで内部に力が発生し、表面に「しわ」が生じます。それによって、触媒層の表面部分からき裂が発生して内部に進展し、最終的な損傷に至ってしまいます。このような部材の損傷を未然に防ぐための設計指針を提案する研究なども行っています。

機械が何らかの役割を果たすためには，往復運動や回転運動が必要となります．この往復運動と回転運動や，それに伴う力を扱う力学が機械力学です．子供のときブランコで遊んだことがあると思いますが，振動現象では外から加える力の周期を変えることによって揺れ方が大きく異なり，ある特定の振動数では共振と呼ばれる現象が発生して非常に揺れが大きくなります．また，外力の振動数に対する応答の振幅を表す関数が周波数応答関数であり，振動解析の主な目標となります．

本研究室では，機械力学の中でも特に振動現象に着目し，複雑な系に対して共振が発生する固有振動数や周波数応答関数を求める研究を行っております．また，色々な不具合の原因となったり，乗り物では乗り心地の悪さにつながったりと，多くの場合では振動は厄介者となっています．そのため，振動を抑制する動吸振器を対象に，制振効率をより高めるための研究を行っております．さらに，振動が複雑になる原因として，復元力がフックの法則の比例関係で表現できない非線形特性を持つ場合や，外力が完全に予測可能ではなく何らかの不規則性を持つ場合があります．このような非線形性や不規則性により発生する振動現象を研究しています．

私が主として扱っている研究は，制御理論の中の大域漸近安定化です．制御工学では，動作範囲が狭く障害物等をほとんど考慮する必要のない状況での制御問題が多く研究されてきました．このような場合の制御問題の解は多くの場合唯一であり，明確な理論体系が確立している線形制御理論を利用し制御問題を扱うことがほとんどです．

しかし， 動作範囲が広く障害物などがあるような複雑な場合には，最適な動作が複数ある場合や，時間について連続な制御入力だけでは動作しづらくなる特異点が発生するなど，線形制御理論だけでは扱えない状況が発生します．

そのため私の研究では，線形制御がユークリッド空間上で定義された制御問題を扱っていることに対し，ユークリッド空間を含むより複雑な空間を表現できる多様体上で定義された制御問題を主たる研究対象とし，線形制御理論だけでは解決できないような制御問題を扱っています．多様体上の制御系の例として，移動ロボットの障害物回避問題，人工衛星の姿勢制御問題などが挙げられます．

ヒトはどういう風にものを見て，それを理解し，そして反応するのか．その際にモノや情景，画面などとヒトが相互作用しますが，その相互作用について研究する分野がヒューマンインタフェースです．ヒトの脳機能や生理と密接に関係している研究分野で，ヒューマンインタフェースの理解を通して，発達しょうがいなどの学習面に困難を抱える児童・生徒に対する工学的な支援についての研究を教育学部の教員とも一緒になって活動してきました．最近では，人間科学部の教員と連携し，赤ちゃんが言葉を覚える際に大変重要な養育者との「共同注意」について，絵本の読み聞かせ場面での赤ちゃんと養育者の視線の方向をカメラ画像からAIを用いて推定し，従来であれば実験者がビデオ映像を見ながら何時間もかけて解析していたものを，短時間で自動的に行うことを実現しました．さらにコロナ禍で学習環境が大きく変貌したこの2年間でしたが，オンライン学習など動画で学習する際に，受講者の注意・集中や理解が提示される動画によってどのように変わってくるのかの研究を現在行っています．SDGｓの目標の「３．すべての人に健康と福祉を」と「４．質の高い教育をみんなに」を念頭に，社会の持続的な発展と人の幸福を目指す研究を行っています．

あらゆる分野を支える計測技術の研究

光応用計測研究室について
当研究室は，広く産業分野へ貢献できる基盤的光計測技術やシステムの研究を行っています。関連する分野では，応用物理，機械，電気電子，化学，建築，地球科学，生物，医学，とほぼすべての学問分野の発展に寄与できるものです。

一例としては，干渉をベースとした顕微鏡による細胞や組織の実時間3次元計測，スマートフォンにも搭載されるToFセンサによる3D距離マッピング（これは自動運転技術にも必須技術），製造ライン中での実時間計測，化学薬品の反応解析や試薬解析，分光学，絵画/美術品などのハイパースペクトル画像解析やディジタルアーカイブ，建造物のヘルスモニタやレーザースキャナーによる3D計測など，今現在どの学科に所属していて将来就職してどの産業分野へ進んだとしても，光計測技術の恩恵無しでその分野の発展はあり得ません。 　IoTやAIにしても，その元になるデータを取得する計測技術無くしては成り立ちません。将来の学部選択や進学後の卒研配属選択前にそのことをよく認識しておくと良いと思います。

上記に加えてシステム・情報科学技術分野におけるSociety5.0に向けた計測ニーズも多岐に渡ります。「光計測技術」を習得する意義が分かると思いますので，一度，確認してみてください。

本研究室では、レーザや光ファイバを使った様々な光計測技術を研究しています。
レーザ光は、自然光（太陽や電球の光）と違って、電波と同じように一定周期のきれいな振動を持つ波です。このような光は、その振幅と位相を観測したり、自由に操作したりすることができます。こうした性質をうまく使って、様々な新しい計測のアイデアが生まれます。

●光ファイバセンシング
光ファイバ自体をセンサとして用いることで、1か所に測定器を置くだけで、歪や温度を分布的に測定することができます。これを利用して、大規模な災害を事前に検知したり、構造物の劣化を予測することが可能になります。
ブリルアン散乱やレイリー散乱を観測すると、光ファイバに加わる歪や温度を知ることができます。 光ファイバを構造物に敷設して光ファイバセンサ網として使うことで、構造物のヘルスモニタリングが可能です。

●超高速光オシロスコープの開発とその応用
光は数百THzの周波数を持ち、極めて高速な通信や計測に役立てることができます。研究室で開発中の超高速光オシロスコープは、サブピコ秒（1ps以下）の光信号の波形を測定できる性能を持つ波形測定器です。このような高性能なオシロスコープは、光ファイバやデバイスの性能の評価、変調器の特性評価、光ファイバセンシング技術など、様々な応用を生み出します。

本研究室では、身近な自然を遠隔で計測するための研究を行っています。
周囲の自然環境を維持し、持続可能な開発を行うためにはまず、その現状を把握する必要があります。
自然環境の現状を広範囲において把握するために、現場で直接観測が出来ない、あるいは観測が困難な場所に関する情報を得るためには、電波・光を用いたリモートセンシング(遠隔計測)が有効です。
本研究室では、主に下記テーマにチャレンジしています。

・電波を用いた大気のリモートセンシング
上空の大気運動を観測することにより、天気予報の精度向上に活用されています。
・電波を用いた降雨のリモートセンシング
地上の気象レーダー観測網のみならず、人工衛星を用いた降雨観測も行われています。
・光を用いた汽水域水質のリモートセンシング
水面の太陽反射光の波長依存性を用いて、水域表層の水質を推定します。
この方法を応用して、広域の水質マッピングが可能となります。

テクノロジーを活用した障害者の支援を大きなテーマにして活動しています。具体的には、視線入力・各種センサーおよびマイコン等を応用した研究開発を行っています。

【主なテーマ】
○テクノロジーを活用した重度障害者のコミュニケーション支援
身体的に極めて制限された重度障害者でも、コンピュータを用いて意思伝達できるシステムを研究します。感圧センサーや筋電センサーによりごく小さな動きを検出し、アプリケーションと連携して文字を入力できるようにします。センサー回路の開発やマイコンのプログラミング技術が重要になります。

○視線入力およびスイッチゲームの開発と普及
ゲーム開発環境を活用して視線入力を訓練したり、支援学校等で使えるアプリケーションを開発します。この数年で視線入力装置が入手しやすくなり、我々のアプリケーションにより多くの療育現場でもその活用が始まっています。

○社会実装を前提としたアプリケーション開発
福祉情報工学の分野では、理論だけでは誰も幸せになりません。実際にモノを開発して普及させることがとても大事です。本研究チームでは、開発したアプリケーションやデバイスを実際に頒布＆販売することで社会実装しています。

【主な成果】
○視線入力訓練アプリ EyeMoTシリーズ
　フリーソフトとして国内最大のシェア。特別支援教育を改善。
○バリアフリーマップアプリ WheeLog!（ウィーログ）
　SNSライクなバリアフリーマップ。国内最大の登録者数。

＜光三次元形状計測＞
物体形状測定は多数の分野において需要があり、鋳型の形状測定、加工製品の外観検査、プリント基板上の半田形状検査等に応用されている。従来の測定手段として，ノギスやマイクロメータを使った接触測定法が多く用いられていたが、非接触方式に移行しつつある。光を物体に当て、戻ってくるまでの時間から距離を測定するToF(Time of Flight)法は，自動運転用Light detection and ranging (LiDAR)の重要技術であり、世界中で研究されている。しかし，100m以上の範囲を10cm程度の精度で測定する本手法は，道路形状や大規模構造物測定には有用であるが、製品の外観検査のようなmm以下の精度を要求される分野では利用できない。物体に光を当て、干渉縞から距離を測定する干渉法は、nmオーダの測定精度を実現でき、平面上の微小な凹凸や傷の発見等には有効であるが、被写体深度が短く，測定対象は小さい物に限定される。そこで、従来困難であったmオーダの距離に渡る高精度測定を実現する方法として、近年FMCW(Frequency-Modulated Continuous Wave)法が注目されている。FMCW法は、光ファイバ中の伝搬ロスや反射点の分布測定に以前から利用されており、数十μmの距離分解能を実現できる。

＜光無線通信＞
光無線通信は、データ速度がRF無線通信より高く、送受信器のアンテナサイズがRF無線通信のものより小型で、さらにRFとは異なり光周波数は無免許で利用できる等の利点を備えている。特に近年、室内通信のような短い距離での光無線通信から大気や海水を介した長距離に及ぶ自由空間光通信が盛んに研究されている。身近な例では、Li-Fiのような可視光通信技術が出現し、Wi-Fi技術の代替候補として注目を浴びている。

近年の情報通信システムは，高速インターネットの普及や動画などの大容量なコンテンツ流通の進展に伴い，著しい大容量化・ブロードバンド化を遂げています。近年の光通信システムの通信容量は，20年間で約1000倍といった指数関数的な顕著な伸びを示しています。これは，40年間では，約100万倍といった爆発的な伸びに相当します。現在の商用システムの通信容量は，光ファイバ１本あたり約1～10テラbps（毎秒10の12～13乗ビット），実験報告に至っては，約1ペタbps（毎秒10の15乗ビット）に達しています。このような超高性能な最先端の光通信技術が，高速インターネットやスマートフォンなどのブロードバンド・ユビキタスサービスを支えています。

また，光技術（Optical Technology）は通信応用以外にも科学，工業，電気機器，生命・医療，福祉，娯楽応用などの様々な分野で急速に発展しています。20世紀中ごろ（1960年ごろ）に革新的な光であるレーザが誕生し，20世紀の終わりには，そのレーザやLEDなどの新しい光技術である“フォトニクス技術（Photonics Technology）”の有用性および実用性が明らかになりました。その20世紀に続く21世紀は「光の時代」であると言われています。将来の持続可能で豊かな社会を実現するため，新規な“フォトニクス技術”および“フォトニックシステム（Photonic System）”の精力的な研究開発が求められています。

我々の研究室では，将来の豊かな社会および生活の実現を目指し，近年発展しつつある魅力的なフォトニクス技術を駆使した，高度な光通信および光計測技術の研究を行っています。

生体計測データの解析手法の研究を行っている．特に，非侵襲脳計測データ，主として，fMRI(functional Magnetic Resonance Imaging，核磁気共鳴機能画像)データを扱っている．fMRI計測の実験においては，従来，被験者に，画像を見せたり，音声を聞かせたり，タスクを行わせたりしているときの計測が行われてきた．このようなデータでは，通常，実験条件と対照条件とを比較するデータ解析が行われる．一方，近年，被験者が何も行わず安静にしている状態でのfMRIデータの計測が多く行われている．また，他にも，映画を見ているときなど，より複雑で自然な状態での計測が行われている．このようなデータのための，対照条件を必要としない解析方法を研究している．一例として，fMRIデータにたたみこみ型の生成モデルを仮定して，データをこのモデルにあてはめ，そこから，あてはまりの良さの指標を解析に用いたり，神経細胞の活動を引き起こす事象の生起時刻を推定したりする手法を研究している．その他に，測定の空間解像度の違いのfMRIデータへの影響についての研究，スパース表現を基礎とするデータ解析手法の研究を行っている．

現在の私たちの生活は，光通信や光計測など，多くのフォトニクス（光子をあつかう工学）技術により支えられています．例えば，パソコンやスマートフォンで動画配信やオンライン会議などのサービスを利用する機会も増えていますが，これらのサービスは世界中に接続された大容量光通信ネットワークを利用しています．近年の光通信システムの容量は，20年で約1000倍というペースで指数関数的に増加しており，今後もさらなる増加が予想されます．また，光計測においても，自動車の自動運転などで注目されているライダー技術など，高度なフォトニクス技術が利用されています． 　私は，同学科の増田浩次教授とともにフォトニクス研究室を運営しています．将来の豊かな社会および生活の実現を目指し，フォトニクス技術を駆使した高度な光通信および光計測技術の研究を行っています．

最後に研究例をご紹介します．図１は大容量光通信用の光増幅器制御回路の構成例です．従来方式では光信号を電気信号に変換し制御しているのですが，私たちは全て光で処理する方式を提案しています．図に示すように光部品を光ファイバで接続し，光回路を構成しています．図２は実際に構成した光回路と評価装置の風景です．