東北大学

東北大学　積層ナノ磁性体の磁気振動、AI技術に新視点

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2020年4月21日

　東北大学はこのほど、産総研と共同で「ブランコの数理（係数励振）」に基づく積層ナノ磁性体の磁気振動の増幅効果を、独自の光計測技術で発見したと発表した。今回の発見は、AIハードウエアの要素となる磁気素子の開発に、新しい視点を与える成果である。

　社会を取り巻く情報量は爆発的に増大しており、これを効率よく利用するための量子計算技術やAI技術などの研究が各国で進んでいる。その1つにナノスケール磁石の発する磁気の振動や波動を情報の担体とし、それらの重ね合わせを演算に用いる波動計算やリザーバー計算がある。これまで通電により動作するナノ磁気発振器や増幅器を用いる研究が進められてきたが、エネルギー効率が課題の1つであった。

　今回発見した積層ナノ磁性体は、新しい動作原理によるもので、通電不要の磁気振動や波動のナノ増幅器、あるいはナノ発振器の可能性を開くもの。同研究の積層ナノ磁性体は、厚み1㎚以下の非磁性金属（ルテニウム金属）を、厚み3㎚の磁性体（ホウ化コバルト鉄）で挟んだ。この2層の磁性体はバネのような力で結びついており、この力のため、2つの層の磁気が、同じあるいは逆のタイミングで振動することが分かっている。

　この2つの磁気の合成振動の運動を、独自のパルス光を用いて、数ピコ秒の時間分解能で観察。強い励起パルス光を照射すると2つの磁気振動が発生し、遅れて照射する弱いパルス光の反射の仕方から、磁気の振動を検出する。磁気の振動は摩擦力が働くため、時間とともに減衰するが、ある条件を満たした場合には、磁気の振動が時間とともに増幅することを発見した。

　2つの磁気の振動の仕方には、ブランコを漕ぐときのように最初は揺れが小さくても、次第に揺れが大きくなる（増幅する）、係数励振と呼ばれる数理が内在していることが分かった。2つの合成された磁気振動のうち、一方がもう一方を漕ぐことで、振動を増幅できるとしている。今回明らかとなった磁気振動の数理は、この積層ナノ磁性体が通電不要のナノ磁性素子となり得ることを示している。

　今後は、素子として用いる際の基本的な特性と材料、集積化した際の性質など、AIハードウエアへの応用を目指した研究を進める方針だ。

NEDOなど　陽電子放射断層撮影装置検査用に結晶の製造技術を確立

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2020年1月27日

直径4インチのCe：GAGGシンチレーター結晶
直径4インチのCe：GAGGシンチレーター結晶

　NEDO・C＆A・東北大学は、陽電子放射断層撮影装置（PET）検査用のセリウム添加ガドリニウムアルミニウムガリウムガーネット（Ce：GAGG）シンチレーター結晶を、直径4インチ径で製造する技術を確立した。

　この技術を活用することで、PETに使うシンチレーター結晶の高速時間応答・高発光量・高感度化などが見込まれ、PETの解像度が向上することから、より早期での小さながんの発見が可能となり、がん患者の医療費削減とQOL（生活の質）向上に寄与することが期待される。

　がん細胞の検知やアルツハイマー病の部位の同定で、PETによる検査が行われている。PET検査ではポジトロン（陽電子）を発生する薬剤を体内に注入し、ポジトロン核種が放出する放射線を特殊なカメラで検出することで、脳や心臓などに薬剤が集積する様子を断層写真に収める。

　PETのセンサーヘッドは、ポジトロン核種からの放射線を光に変換する結晶（シンチレーター結晶）と受光素子から成る、放射線検出器で構成されているため、PETの高性能化には、高速時間応答・高発光量・高感度で高いエネルギー分解能を持つ、シンチレーター結晶が必要だ。

　現行のPET用シンチレーター結晶には、セリウム添加ルテチウムイットリウムオルソシリケートなどが使われているが、精密な温度制御が要求されるほか、原料の大部分を中国産に依存していることに加え、価格が高騰しているなど、供給が不安定という課題があった。

　Ce：GAGGは従来のPET用シンチレーター結晶材料と比べ2倍程度の発光量を持つため、PET用シンチレーター結晶の高発光量化・高感度化によるPETの特性向上が見込めるが、蛍光寿命が長くPETには適していなかった。今回、最適な共添加剤とその最適濃度を見出だし、高い発光量を保ちつつ蛍光寿命を短くすることで、高速時間応答を実現し、PETにも適用できるようになった。

　すでに乳がん用PETだけでなく、局部用PETや環境モニター用コンプトンカメラ、欧州原子核研究機構（CERN）の次世代検出器、イタリア国立天体物理学研究所（INAF）の放射線天文学用検出器などへの採用の検討も本格的に始まっており、引き続き世界の放射線検出器・非破壊検査装置・医療画像装置への採用を目指す。

NEDO・東北大　円形断面型クローラー開発、全方向に連続移動

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2019年9月3日

　新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）と東北大学は27日、全方向（360度方向）への連続移動を実現した円形断面型履帯（クローラー）の開発に世界で初めて成功したと発表した。

円形断面型クローラー
円形断面型クローラー

　オムニクローラーが備える高い耐荷重性・走破性に加え、放射状に最密配置したクローラーが駆動することにより、任意方向への連続的な移動を可能にした。柔らかい絨毯をはじめ、点字ブロックの段差や踏切内の線路の溝など、一般の車輪では走りにくい環境でも、クローラーの向きを変えることなく縦・横・斜めの方向にスムーズに移動できる。

　両者は、2015年から「全方向駆動機構を核とした革新的アクチュエーション技術の研究開発」に取り組んできた。今回開発したクローラーは、全方向移動を行うために必要な2つのモーターのほか、平歯車やねじ歯車などの最小限の動力伝達装置からなる単純構成のため、保守性に優れ、小型化が可能な全方向移動機構のベース技術になり得る応用範囲の広い機構となっている。

　3つの機能として、①履帯機構の姿勢や路面の状態によらず、モーターの回転方向を切替える必要がなく継続的に全方向に移動可能②歯車とチェーン、ベルトを用いることで、摩擦伝動によらず高い駆動力の伝達が可能③高い不整地走破性を実現（軸方向の段差乗り越え高さ10mm、その直交方向の段差乗り越え高さ30mm、溝踏破長さ140mm）を併せ持つ。

円形断面型クローラーを搭載した車両
円形断面型クローラーを搭載した車両

　新たに考案した全方向移動用のスクリュー式差動回転機構は、回転軸の動力をねじ歯車によって垂直方向に変換する構造を線対称に配置。これにより、左右2つの入力回転を、全方向駆動機構として必要な前後・左右の移動につながる公転と自転の出力に、極少の伝達部品数で変換させる仕組みを実現した。

　電動車いすをはじめ、移動型ナビゲーションロボットや屋内外の巡回警備ロボットなど、総重量の大きなモビリティー（移動体）用の駆動機構としての用途が期待される。

NEDOなど　流水熱エネルギーに特化した熱交換ユニットを開発

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2019年9月2日

　NEDO・ジオシステム・角藤は、農研機構・東北大学・金沢大学と共同で、農業用水や温泉水などの流水がもつ再生可能エネルギー熱の利用に特化した、樹脂製投げ込み式熱交換ユニットを開発した。

　投げ込み式熱交換器とは、流水や水槽類の中に設置し、液体の温度を加熱または冷却させる装置。今回対象とした流水は、さまざまな異物やスケールを生じる化学成分が含まれる可能性が高いため、腐食に強く、メンテナンスが容易な樹脂製投げ込み式熱交換器の使用が適している。

　しかし、従来の樹脂製投げ込み式熱交換器は、熱交換性能が低いことなどから投資対効果が合わないことが多く、利用可能な流水の条件が限られ、熱利用が進んでいない状況だった。

　今回開発した熱交換ユニットは、水を強制攪拌するためのエアレーション機構を搭載し、既存の樹脂製投げ込み式熱交換器と比べ、熱交換性能を約6倍に高めた。また、多数細管構造の熱交換器を採用し、既存の樹脂製熱交換器と比較して、循環水の圧力損失を約10分の1に抑え、流水からの安価な熱回収を実現した。

　開発では、ジオシステムが樹脂製投げ込み式熱交換ユニットの設計・試作・性能評価、角藤が性能・機能要件整理、農研機構が平板型樹脂製投げ込み式熱交換器の基本性能計測と設置方法の開発、東北大学がエアレーション機構の熱・流動解析など、金沢大学が平板型樹脂製投げ込み式熱交換器の数値シミュレーションなどの技術開発の役割を担った。

　この熱交換ユニットは、今後、ジオシステムが「G‐HEX」の製品名で販売を開始する予定。これにより、今まで十分に活用できていなかった流水熱源からの高効率な熱利用が可能となり、再生可能エネルギー熱利用の普及拡大が期待できる。

東洋紡　骨再生誘導材を販売へ、東北大と共同で製品化

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2019年6月10日

　東洋紡は7日、東北大学と共同で製品化を進めてきた骨再生誘導材「ボナーク」について、5月29日に厚生労働省から製造販売承認を取得したと発表した。

骨再生誘導材「ボナーク」
骨再生誘導材「ボナーク」

　今年度中に販売代理店を選定し、歯科・口腔外科向けの販売を開始するとともに、整形外科や脳外科分野へも展開するなど、適用範囲の拡大を図っていく。

　「ボナーク」は、東北大学が日本ハムと骨再生誘導を目的に共同開発した、リン酸オクタカルシウム（OCP）と医療用コラーゲンから成る複合体を原材料として、スポンジ状のディスクに加工した医療機器。病気やけが、加齢などにより骨が欠損した部位に同製品を埋め込むと、周囲の細胞の再生能力を活性化させ、それが足場となって新生骨の形成を誘導する。

　東洋紡は、2015年に東北大学および日本ハムと「ボナーク」の特許実施許諾契約を締結した後、東北大学病院歯科顎口腔外科を主幹施設とした全国9カ所の医療機関で、多施設共同治験を実施してきた。

　骨再生が必要なインプラント症例や嚢胞腔（のうほうくう）を対象にした治験に加え、唇顎口蓋裂患者の顎裂（がくれつ）部を対象とした初めての治験で、骨再生の有効性と安全性を確認したことにより、このほど製造販売承認を取得した。

　欠損した骨を再生治療する際、歯科・口腔外科の疾患では、患者自身の健常な骨を採取して移植する「自家骨移植」が一般的だが、入院治療が必要で自家骨を採取した部位に痛みが残ることもあるため、患者の負担軽減が求められていた。

　「ボナーク」は、簡便な使用方法により、骨の欠損部に埋入することで、新生骨の形成を誘導する。自家骨移植に必要とされる入院期間を短縮できるほか、術後の運動制限も必要としないため、患者の負担軽減とQOL（生活の質）改善への貢献が期待されている。

東北大学　全固体電池の高性能化を加速する新物質を開発

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2019年3月19日

　東北大学はこのほど、水素クラスター（錯イオン）の分子構造のデザインにより、リチウムイオンが高速で伝導する新たなリチウム超イオン伝導材料を開発したと発表した。

　錯イオンとは、中心原子に複数の原子が結合した分子構造をもつイオン。開発品は、高エネルギー密度化が実現できるリチウム負極に対し、高い安定性を示すとともに、リチウム負極を使用した全固体電池の固体電解質として用いた場合に、電池の使用時間が大幅に向上することも実証した。

　同大学金属材料研究所のキム・サンユン助教と同大学材料科学高等研究所の折茂慎一副所長らの研究グループは、水素とホウ素から形成された水素クラスターを含む錯体水素化物を中心に、リチウムイオン伝導の研究を進めてきた。今回の成果は、同大学多元物質科学研究所と高エネルギー加速器研究機構との共同研究によるもの。

　同開発は、全固体電池の高エネルギー密度化が一気に加速していく可能性を秘めている。電気自動車やスマートグリッド（次世代送電網）など、大型エネルギーデバイスを社会普及させるには、蓄電池の安全性・エネルギー密度・充放電速度などの高性能化がカギになる。特に、固体電解質を用いる全固体電池は次世代電池としての期待度が高い。現在のリチウムイオン電池と比較して安全性が大幅に向上するほか、液体電解質では使用が困難だったリチウムや硫黄などの高エネルギー密度電極への適用可能性が広がるため、蓄電池の高エネルギー密度化も期待される。

　固体電解質の最も重要な特性はリチウムイオン伝導率。室温（25℃）で1mS／cm以上の、現行の液体電解質に匹敵するイオン伝導率が求められる。同研究の錯体水素化物の特徴は、錯イオンの不規則性を高めることでリチウム超イオン伝導が誘起されること。しかし、不規則性を高めるには、材料を100℃以上の高温にする必要があった。開発品は、高い不規則性を付与した2種類の錯イオンを、さらに適切に混ぜ合わせることで、不規則性をいっそう高めた。結果的に室温付近でも錯イオンの不規則性が維持され、25℃で6.7mS／cmものリチウムイオン伝導率を示した。

　報告されている錯体水素化物の中では最も高い値で、液体電解質の伝導率にも十分匹敵する。水素クラスターのデザインにより、リチウムイオン伝導率をさらに高めることも可能で、同大学らは、今後もリチウム超イオン伝導材料の開発を進めていく考え。