「大学・高専連携事業基金」事業（共同研究）

掲載日：2025年6月24日

研究課題（令和7年度開始分）

●プロジェクタを用いた背景指向Schlieren法による非軸対象物体回りの超音速流れ場の可視化画像へのCT技術の適用による定量的３次元再構成技術に関する研究
・実施期間：2025年4月～2026年3月
・研究代表者：
【教員】高専　航空宇宙工学コース　准教授　宇田川 真介
【学生】高専　創造工学専攻　機械工学コース　1年　佐久間 心
・研究協力者：
【教員】都立大学大学院システムデザイン研究科航空宇宙システム工学域　准教授　嶋村 耕平
【学生】
都立大学大学院システムデザイン研究科航空宇宙システム工学域　博士前期課程2年　村松 武明
都立大学大学院システムデザイン研究科航空宇宙システム工学域　博士前期課程1年　熊崎 大智

研究背景
　衝撃波を伴うような高速の流体現象の研究では、古くから普及しているSchlieren法に代表される可視化計測法によって流体の密度勾配場の可視化が広く行われている。一方で近年では、高解像度なイメージセンサを用いたデジタルカメラが広く普及したことや、一般用途向けコンピュータの性能が向上したこと等から、Schlieren画像をデジタル的に処理する背景指向Schlieren法（Background-Oriented Schlieren法, BOS法）が注目されている。BOS法は観測部背後に設置した背景画像をデジタルカメラで撮影し、観測現象により背景画像パターンがどの程度移動しているかをコンピュータ画像処理によって求める方法であり、観測部から背景までの距離が大きくなるにつれ感度は上がるが、像ボケも大きくなるといったデメリットが存在する一方で、光学系を簡素化し易く、背景画像にランダムドットパターンを用いた場合PIV画像解析アルゴリズムを用いて背景移動量から流れの密度場を定量的に計測できるなどのメリットがあり、現在国内外で盛んに研究が進められている。

概要
　上述の背景から、申請者らはBOS法に着目して研究を進めており、これまでに都立大学日野キャンパスで所有する超音速風洞を使用し、マッハ数2.0の気流中に設置された円錐模型周りの流れ場のストライプパターン背景によるBOS計測を実施し、得られた可視化画像に対して軸対称を仮定したAbel変換を施し、図に示すような3次元密度場の取得に成功した（2023年度衝撃波シンポジウムにて報告済）。現状では中心軸上にAbel変換特有のノイズが残り、軸対称性が成り立たない複雑な形状の模型に対してAbel変換が適用できず、3次元密度場の取得が不可能といった問題がある。そこで本事業では、再構成法として医工学分野で広く普及しているCT技術に用いられるART法に着目し、超音速流れ中に設置された非軸対象形状の模型を用いたBOS計測によって得られる画像から、ART法による再構成を実施し、複雑な3次元流れ場の定量的評価を行うことを目的とする。また、プロジェクタを用いた新しいBOS光学系を構築し、従来から問題となっている像ボケと感度のトレードオフ関係を根本的に回避することを試みる。

●触覚と聴覚のクロスモーダル効果を用いたタッチスイッチの設計手法の確立
・実施期間：2025年4月～2027年3月
・研究代表者：
【教員】高専　医療福祉工学コース　准教授　古屋 友和
【学生】高専　創造工学専攻　機械工学コース　1年　秋山 功匠
・研究協力者：
【教員】都立大学大学院人間健康科学研究科ヘルスプロモーションサイエンス学域　教授　樋口 貴広
【学生】
都立大学大学院人間健康科学研究科ヘルスプロモーションサイエンス学域　博士後期課程　3年　坂崎 純太郎
都立大学大学院人間健康科学研究科ヘルスプロモーションサイエンス学域　博士後期課程　3年　原薗 迪子

研究背景
　IT機器のタッチパネルや自動車や家電等の物理型のスイッチなど指でタッチする機器は非常に多く、多機能化によりスイッチの数や操作数が増えたことにより、スイッチの押し間違いによる誤操作が発生することがある。特に自動車の運転支援機能の操作は、僅かな目視時間でスイッチ操作しなければならず、操作に時間がかかることや誤操作により事故につながる恐れがある。そこで操作性、識別性の向上と新たな操作感を創出するため、モノを触ったときに聴覚情報を加えることでクロスモーダル効果を誘発することを検討した。

概要
　クロスモーダル効果とは、視覚・聴覚・触覚などの感覚情報間の相互作用により知覚が変化する現象であり、その効果を応用することで多様な表現が可能となる。クロスモーダル効果は視覚を中心とした研究が行われているが、触覚を中心としたものは数少なく、産業技術への応用例も少ない。そこで本研究は、触覚情報（材質を触ったときの触感，振動刺激を加えたときの触感）について、聴覚情報（材質を触ったときの音）を組合せたときのクロスモーダル効果とそれぞれの物理特性（材料の粗さ、硬さ、摩擦、音・振動の周波数特性など）との関係を調べ、狙ったクロスモーダル効果を誘発する設計手法を確立させる。まず、様々な材料での触感、触ったときの音の印象を評価して特徴を理解する。その結果を基に材料を触ったときに音を発生させる装置により、触覚と聴覚のクロスモーダル効果の誘発を探索する。クロスモーダル効果が得られた材料と音の物理特性を測定し、定量化された触感と物理特性から統計式を求める。この式より、材料、音、振動の特性の組合せからユーザに与える触感が設計可能となる。また、産業への適用事例として、自動車運転時のスイッチの操作性、識別性の評価よって定量的な評価指標を用いて検証を行う。この手法の確立により、将来の産業技術として多様な発展に寄与できると考える。

期待される成果Ⅱ：クロスモーダル効果を用いたプラスチック材料の触感の設計手法
各材料の物理特性を測定し、SD法により定量化された印象データと各材料の物理特性との関係を調査する。クロスモーダル効果の高い材料と音の組合せの選定し、統計手法により印象データと物理特性の対応付けし、触感の印象を設計するための統計モデル式（例：硬さ感＝係数×材料の弾性特性＋係数×音の高周波数成分）を求める。これにより、狙った触感を設計することが可能となる。

期待される成果Ⅲ：実車での検証と実用化にむけた実車への適用方法の提案
産業適用の一例として、自動車の運転中のスイッチの操作性、識別性についてドライビングシミュレータを用いて評価を行う。通常のスイッチと定量的な指標を用いて比較することで、クロスモーダル効果を用いたタッチスイッチの効果検証を行う。

●油浴潤滑下での流れの挙動について
・実施期間：2025年4月～2026年3月
・研究代表者：
【教員】高専　ロボット工学コース　教授　田村 恵万
【学生】高専　創造工学専攻　機械工学コース　2年　井手 勇希
・研究協力者：
【教員】都立大学大学院システムデザイン研究科機械システム工学域　教授　小方 聡
【学生】都立大学大学院システムデザイン研究科機械システム工学域　博士前期課程1年　星川 駿介

研究背景
　回転動力を伝達する機械要素のなかでも歯車は動力を確実に伝達することから広く使用されている。一対の歯車がかみ合うことによって歯の接点では摩擦が生じる。ここで発生した熱は歯車、軸受、軸の温度上昇などを引き起こし、過度の温度上昇は歯の損傷等につながる。そのため、適切な潤滑を行う必要となる。潤滑にはさまざまな方法があるが、歯車の一部を浸して潤滑する油浴潤滑は、他の方法と比較して特別な装置が必要なく構造が簡単であるという利点がある。油浴潤滑下における歯車装置においては、潤滑油を熱の発生源に供給し、潤滑油の流れによりその熱を効率よく放出する必要がある。しかしながら、歯車周辺における流れや潤滑油そのものの挙動については、今までほとんど研究の対象とされていなかった。

概要
　本研究では油浴潤滑下での歯車装置内の流れの挙動を把握することを目的とする。動力循環式歯車装置を用いる。潤滑油の温度計測用と潤滑油の流れの可視化用の2枚の透明アクリル板を用意する。アクリル板は歯車箱正面に設置する。潤滑油は歯車の歯たけの半分まで満たす。負荷トルク・回転数・潤滑油の種類を変えた場合について長時間の連続運転を行い、アクリル板にあけた孔（歯車のかみ合い部直下付近、歯車下部付近など）から熱電対を用いた潤滑油の温度変化の計測と潤滑油の流れの可視化を実施する。歯車装置内の潤滑油流れが均一でない場合には、多孔のアルミ板を用いた補助具を作成し、それを挿入にした場合の流れの整流化の効果について、温度変化と流れの可視化から検証する。さらに、（1）歯車本体温度と潤滑油温度との関係、（2）数値計算ソフトを利用し、実験結果との比較についても考察する。

期待される成果
　負荷トルク・回転数・潤滑油の種類を変えた際の、油浴潤滑下における歯車装置内の潤滑油の温度変化の計測と挙動を観察する。潤滑油の挙動の観察から歯車装置内の流れが均一でない場合には多孔のアルミ板を用いた補助具を挿入することで流れの整流化を目指す。歯車装置内における潤滑油流れの整流化の実現により、これまでよりも潤滑油の温度上昇が抑えられるようになることが期待できる。これは歯車装置の連続した長時間運転がさらに可能となることを意味しており、潤滑油のコスト削減へもつながる。潤滑油のコスト削減だけではなく、歯車装置のメンテナンスの時間短縮へもつながるものである。したがって、歯車装置にかかるコスト削減ならびに作業効率化や人件費の節約といった持続可能な社会の実現に寄与することが期待される。

●粘菌中心性に基づくネットワーク輸送の耐故障性評価
・実施期間：2025年4月～2026年3月
・研究代表者：
【教員】高専　電気電子工学コース　教授　山本 哲也
【学生】高専　創造工学専攻　電気電子工学コース　1年　大竹 一輝
・研究協力者：
【教員】都立大学大学院システムデザイン研究科情報科学域　教授　會田 雅樹
【学生】
都立大学大学院システムデザイン研究科情報科学域　博士後期課程１年　須貝 勇也
都立大学大学院システムデザイン研究科情報科学域　博士前期課程１年　寺村 尚登

研究背景
　交通網や電力網・通信網など、現代社会に欠かせないインフラのネットワーク設計において、 低コストで高い輸送効率を実現することは、重要な目標の一つである。その一方で、コスト抑制による冗長性削減により、ネットワークの耐故障性の低下が懸念される。非常時での通信障害や交通麻痺などのリスクを下げる上で、耐故障性も考慮したネットワーク設計が求められる。先行研究では、ネットワーク科学で用いられる様々な中心性指標に耐故障性や耐攻撃性の評価がなされており、指標をもとにした改善方法の評価がされている。我々は、インフラネットワークでの「輸送」に注目し、粘菌中心性を用いた耐故障性や輸送効率の評価を行ってきた。昨年度は、最大ホップ距離のノードを入出力に設定した場合での数値シミュレーションを行った。それにより、粘菌中心性が輸送におけるノードの寄与度を定量評価する指標になることを確認した。

概要
　粘菌中心性とは、対象ネットワークに手老らによって提案された粘菌アルゴリズムを適応し、各ノードの輸送量をもとに定量化する指標である。本年度は、電力網や通信網等のネットワークを念頭に、多入力・多出力系における粘菌中心性指標の有効性を検証し、「輸送」の耐故障性を向上させる手法を検討する。耐故障性向上に関する先行研究として、玉葱状構造、ループ強化リワイヤリング法、逆優先的選択法などが提案されている。これらの手法は、ハブノードなどのネットワーク内の構造的脆弱性を排除し、故障や攻撃に対する耐性向上を目的としている。本研究では、「輸送」の観点から、粘菌中心性指標に基づくネットワーク再構成により、少ないコストで「輸送」の耐故障性を高める手法を提案する。そして提案手法を、様々なネットワークに対して適応し有効性を検証する。

期待される成果
　本研究により、「多入力多出力系のネットワークにおいても、粘菌中心性が輸送量確保に重要なノードの指標となることが示され、粘菌中心性に基づく耐故障性向上手法が確立される」ことが期待される。これにより、電力網や通信網などのインフラネットワークを構築する際に、輸送効率・耐故障性・コストを考慮したネットワーク設計が容易になるだけでなく、既存のネットワークを、故障に対して輸送量確保可能なネットワークに再構築する指針となることが期待される。最終的に、本研究が、災害などの非常時でも、輸送量が保持される頑健なネットワーク構築に貢献できることを期待している。

●高齢者に向けた地域モビリティのインクルーシブデザインの研究
・実施期間：2025年4月～2027年3月
・研究代表者：
【教員】高専　医療福祉工学コース　准教授　古屋 友和
【学生】高専　創造工学専攻　機械工学コース　1年　吉谷 隼磨
・研究協力者：
【教員】都立大学大学院人間健康科学研究科ヘルスプロモーションサイエンス学域　教授　樋口 貴広
【学生】
都立大学大学院人間健康科学研究科ヘルスプロモーションサイエンス学域　博士後期課程　２年　脇 遼太郎
都立大学大学院人間健康科学研究科ヘルスプロモーションサイエンス学域　博士後期課程　２年　広崎 蒼大

研究背景
　地域公共交通のない地域において、高齢者の自動車の免許返納は移動手段が奪われるため大きな問題である。東京都でも、「未来の東京」戦略Version up 2024の中で、アクティブなChoju（長寿）社会の実現を掲げており、高齢者が自分らしく活躍でき、不安なく生活できるには、どこでも不安やストレスなく移動できる環境が求められている。地域公共交通の代替として、地方自治体やNPOが運営する地域モビリティが運用されているが、既存の商用車が多く使用されており、身体的な負荷の低減や高齢者のニーズを反映するのが難しい。そこで本研究では、インクルーシブデザインに注目した。インクルーシブデザインとは、高齢者や障害者など従来の製品やサービスの対象から排除されてきた人々を、デザインの上流から巻き込む手法であり、それにデジタルツールを活用することで効率的かつ創造的にデザインする。このインクルーシブデザインとデジタルツールの活用により、高齢者に向けて不安やストレスない理想的な地域モビリティを創出する。

概要
　本研究は、3つのステップにより進める。最初のステップは、多摩地域の高齢者を対象にワークショップを行い、高齢者に向けたモビリティの潜在的ニーズ・課題を抽出する。ワークショップ実施の際、参加する高齢者にどこまでの認知・感覚・身体特性があるか把握する。これにより既存の車両はどこまでの能力を持つ人たちを排除したデザインとなっているか把握する。第2ステップは、抽出したニーズ・課題解決を実現する方策を3D CAD・ヒューマンモデルを用いて検討し、VRシステムにより高齢者の評価することで理想の形状に近づける。デジタルツールにより検討と検証を効率化でき、創造的な形状をいくつも試すことが可能となる。第3ステップは、身体的負荷を低減する方策の検証のため車両モックアップを制作する。モックアップは主にアルミフレームと発砲材を用いる。評価にはモーションキャプチャ、床反力計等を用いて動作と各関節に関わる負荷を分析して方策の効果を検証する。共同研究者である都立大 樋口教授の研究室では、高齢者の転倒予防の研究やVRシステムを用いた評価を行っており、主に高齢者の知覚運動制御の分析、VR評価について協力して頂く。

期待される成果
　本研究の成果は、地域公共交通の空白地域において理想的なモビリティを提案することで、運転のできない移動手段を失った高齢者の生活の質（QoL）の向上に貢献できる。また、VRを中心としたデジタルツールを用いたインクルーシブデザイン手法を確立することで学術的発展にも寄与できる。
　学生の育成については、人間健康科学研究科との連携のため、本研究活動や都立大へのインターンシップを通じて人間健康科学の知見を深めることができ、昨今求められている医工連携事業で活躍できる技術者の育成が期待できる。また、この活動を通じて、高専専攻科から人間健康科学研究科博士前期課程へのスムーズな接続も可能となるため、法人内での新たな医工連携教育プログラムや進学制度の検討の材料としても貢献が期待できる。

お問合わせ先
東京都公立大学法人　経営企画室　企画財務課
電話　03-5990-5388