材料システム計測学
材料システム計測学
材料システム計測学

材料システム計測学分野

教授
小原良和

見えない世界を可視化する革新的な材料計測技術の開発
サステナブル社会のためデジタルツイン実現への挑戦

 

未来社会の安心・安全を支える、正確な非破壊評価技術
日本で多発する自然災害、また、トンネルや航空機、発電所などでの事故が社会問題となる中、災害が起きても安全に運用・稼働できるインフラの実現や、劣化や欠陥を見逃さない保守・整備体制の構築は、安全・安心な社会を求める国民最大の関心事ともいえるでしょう。
これを持続可能な形で実現するためのキーテクノロジーが、ものを壊さずに内部を調べることができる非破壊評価技術です。橋の崩落などの原因を調べると、表面の傷や割れだけでなく、もっと深い内部に生じた欠陥が原因となっています。
高度成長期以降に整備された社会インフラの老朽化は、今後加速度的に進むと予測されており、複雑な構造物を壊さずに内部の状況を計測するために超音波やX線などを用いた、さまざまな非破壊評価技術の開発が進められています。

超音波計測が主流の現在、実は計測困難な欠陥や材料も
“超音波”は、光が通らない材料の中も真っ直ぐ伝わる性質があることから、航空機や自動車、発電プラントをはじめ、さまざまな製品・構造物内部の致命傷となるキズ(欠陥)の検査に利用されています。
超音波計測の工業応用は、潜水艦探知のためのソナーとして初めて実用化されており、その後、光の通らない材料の内部を見ることができる方法として、材料評価の分野へ応用されました。現在、その技術は産業界で幅広く利用されるほど発展しており、内部を映像で計測できる「超音波フェーズドアレイ」という手法も一般に普及しつつあります。
しかし、いまだに計測できない種類の欠陥(発生初期欠陥、閉じたき裂、複雑形状欠陥など)や材料(コンクリートなど)も多く存在しており、現状を打破する、革新的な計測技術の創出が強く望まれているのです。

世界を変える、小原研の最先端超音波計測技術
私たちの研究室では、複雑な超音波の物理現象を解明し、最新技術(ハードウエアやプログラミング)と融合することで、世界初の計測システムを実現しています。
中でも、それまで不可能とされていた「閉じたき裂」を大振幅の超音波で開閉振動させ、そこで生じる特異な散乱波をとらえて映像化させる技術は、世界初の技術として産業界へ与えるインパクトも大きく、世界中の研究者から大きな反響がありました。ノーベル賞は、MRIやX線CTなど多くの検査・計測技術の開発に授与されています。これは計測技術の発展により、世界が大きく変容するからです。
私たちは、医療が人間の健康や長寿命を支えるように、最先端の「超音波計測技術」の開発により、環境にも経済にも優しい持続可能な社会の実現に貢献することを目指しています。

Projects

デジタルツイン実現のための最先端超音波フェーズドアレイ計測法の開発

すでに医療分野では癌の診断などへのAIの活用が始まっていますが、工業分野でも、現実空間で得られた情報をサイバー空間にAIなどで再現し、そこでモニタリングやシミュレーションを行い現実空間にフィードバックする次世代概念が、デジタルツインやCPS(cyber physical space)として高く注目されています。
実は、この次世代概念実現の鍵を握るのは、計測技術に他なりません。

現実空間の情報(構造物や機械部品の内部も含む)を正確にセンシングできなければ、AI活用までたどり着かないわけです。小原研究室では、デジタルツイン実現のための最先端の材料計測法の開発に取り組んでいます。

橋梁・高速道路・トンネルなどコンクリート構造物の劣化を3D可視化する超多点レーザスキャン超音波計測技術PLUSの開発

本来、構造物に発生する欠陥は複雑な3D形状を有していますが、現在の超音波フェーズドアレイでは2D映像しか得られないため、検査時には、経験則を用いて2D映像から問題箇所を推測する必要があります。
小原研究室では、送信に単一素子の圧電探触子、受信にレーザドップラ振動計の超多点2Dスキャンを組み合わせることで、従来限界をひと桁以上上回る1,000〜10,000素子の超多素子フェーズドアレイ映像法「PLUS」を開発しました。
これによって、送信探触子の周波数を変えるだけで、任意の周波数のフェーズドアレイ映像化が実現できます。複雑な内部構造を持つため、非破壊評価が極めて難しいとされるコンクリートの大型構造物にもこれらの技術を応用する研究を進めています。
さらには、PLUSの研究で得られた知見を活かして、金属、複合材料などの内部を、センサをあてるだけで瞬時に可視化できる方法として、超多素子圧電アレイに基づく高速3D超音波フェーズドアレイ映像法の創出にも取り組んでいます。

Topics

美味しい食を求めて

実は美食家が多いといううわさの小原研究室。
小原教授をはじめ、メンバーも美味しいものには目がありません。
昨年の研究室の忘年会では、高級すき焼き用牛肉で手をかけてすき焼きを、取り寄せたブリでブリしゃぶ鍋を作りました。手作りでも食材は妥協しません。学会で県外へ出かける際には、現地で何を食べるか、事前にリサーチして情報を共有するという熱の入りようです。富山では、白エビ、ブラックラーメン、かの有名なスタバでお茶……。東京では、話題のレインボーわたあめをおやつに。緊張感のある学会のあとに、肩の力を抜けるいいリフレッシュになっています。
その土地の食文化を知ることも楽しく、メンバー同士のコミュニケーションも深まっています。