堀江 真平

　２つの異なる流体を反応させる実験を行う時，その手法の一つとして，小さなチップ上に流路や反応装置を設け，試料分析の全工程を実現する，μTASがあります．μTASは，有機化学系での実験に加え，血液を検査するといった医療関係でも広く応用されています．μTASの高精度化には，試料の流体シミュレーションが必要不可欠ですが，高度なシミュレーションを行うためには，μTASの複雑な構造に合わせ，試料の粒子がどのように拡散するのか，ナノレベルの粒子の運動の理解が必要になります．しかし，先行研究では一様な壁がある空間での粒子の拡散解析までしか行われておらず，μTASで見られる複雑な構造を持つ空間での粒子の解析解は存在しておりません．そこで，理論的・計算科学的アプローチによって，新たな構造体での粒子の運動を観測することで，粒子が拡散しやすい構造や条件を調べるとともに，より正確な流体シミュレーションを行えるようにし，μTASをより高精度にできるのではないかと考えました． また別の研究室では，μTASの流路に使われる段差構造を形成する微細加工法の研究をしており，その段差空間における粒子の拡散解析を行うことで，実際のμTASに活用することができると考え，研究を始めました． 　研究方法として，LAMMPSという分子動力学シミュレータをLINUX上で回し，シミュレーションを行うことで，粒子の拡散解析を行っております．今は，壁面をモスアイ構造にした時の拡散解析を行っています．またPythonを用いた時系列分析によって，粒子の拡散係数を予測する，ということも行いたいと考えています．

　学部生の時は，複数の区分的アファイン振動子の同期手法についての研究をしておりました．非線形システムが漸近安定のときに，収束する閉軌道のことをリミットサイクルといい，初期値に依存しない周期的運動を生成するシステム，つまり安定なリミットサイクルをもつシステムのことを，振動子といいます．振動子は，生物の運動解析やロボットの安定歩容生成など様々な分野で応用されています．その中で，複数の振動子が同じ振る舞いを行う「同期現象」は，メトロノームの同期やホタルの発光現象などの現象の解明に用いられています． 　私達の研究グループでは，「区分的アファイン振動子」と呼ばれる振動子を提案し，同期問題についても議論し，同期法を提案しております．そこでは局所的結合による同期が行われていましたが，大域的結合による同期可能性については未解決となっておりました．そこで本研究では，「平均場結合」と呼ばれる大域的結合を用いた区分的アファイン振動子の同期を目標としてました． 　研究では，振動子の状態や同期条件を，先行研究を参考に立式し，MATLABを用いて計算を行いシミュレーショすることで確認を行いました．最初は，研究に必要な知識や技術の学習を行いました．それまでの授業では習わなかった専門的な内容が多く，過去の授業ノートだけでなく，ネットや本から多くの情報を参考にし，理解を深めました．6月ごろからは，自分のテーマの研究に入りました．自分で考え実行する必要があるため，計画を立て，シミュレーションを行い，フィードバックするということを繰り返し，研究を進めていきました． 　研究では，振動子のシステムを保持しつつ，同期制御ができるよう，条件付けしながら数式に落とし込むことに非常に苦労しました．私が所属していた研究室では，振動子のシステムと，簡単な同期方法についての制御則はあったのですが，今回取り組んだ内容は，制御の仕方が先行研究とは違うため，立式する式もそれとは違うものになります．そこで今の自分の力だけでは解決するのは難しいと考えて，同じような同期の制御を行っている論文を数報読み，どのように立式してシミュレーションしているのかを調べました．更に，教授や同じ研究室の先輩方とも研究内容を交換し，助言もらいながら，改善策を模索しました．試行錯誤を繰り返した結果，理論式を見直し変えることで，上手く同期させることができました． 　本研究では，参考文献を読み解き，理論式がなぜそうなったのかを理解する力と，それを応用する経験を積むことができました．更に，自分で計画を立て，試行錯誤を繰り返し，目標に向かう力，ネットや本から情報を集める力，他の人と考えを交換し，自分の考えをアップデートしていく力など，多くのことを身につけることができました．

　学部1年生の時に，他の学生達と寮生活をしていたのですが，寮の床に多くのごみがちらばっていることが問題になりました．原因を調査すると，ラウンジからごみ箱がある場所までが遠いため，ごみを捨てに行くのが大変であることが分かりました．これを自分の力で解決できないかと考えた時に，ちょうどプログラミングのゼミを受講していたため，ゴミ輸送ロボットの製作に取り組みました． 　成果発表に向けて大目標と小目標を設定し製作を始めたのですが，主に３つの問題に当たりました．１つ目は，ロボを動かす方法でした．超音波測距センサを使っていましたが，誤検知が多く，障害物をかわせないことでした．そのため，カラーセンサを用いたライントレースに変更し，正確に輸送できるよう改善案を考えました．またカラーセンサ1つだと，スピードが遅くなってしまい，その結果荷重も小さくなってしまったので，カラーセンサをもう1つ増やし，トレースのシステムを改善することで性能を上昇させました． 　２つ目はハード関係の問題で，ロボットが小さすぎると荷重が小さくなってしまい， 大きすぎるとロボットそのものが重くなってしまい，走ることができなくなってしまうことがありました．更にレゴブロックの数にも限りがあるため，どうしたら最大の成果を実現できるか考えて設計する必要がありました．そこで，大目標であるゴミの輸送はそのままに，レゴでゴミ箱を作るのではなく，既存のゴミ箱をレゴブロックで固定し，そのゴミ箱を運ぶよう設計を変えることで，少ないパーツ数でも容積を大きく増やすことができました． 　３つ目は寮の環境問題があり，共同生活のため，ガムテープで引いたラインが剥がれたり，落ちている小さいゴミによって正しくライントレースできないことがありました．また，床の材質によってタイヤでは走れないこともありました．そこで，ハード面ではタイヤをキャタピラに変えることで，小さな障害物は押しのけたり乗り越えて進めるよう改造しました．またソフト面では，センサの数を増やして輸送方法を変えることにより，より正確に運用できるよう試行錯誤を重ねました．更に測距センサをロボの前方につけ，大きい障害物に関しては音を鳴らして使用者に伝えることで，寮生活でも運用できるよう工夫しました． 　このロボ製作の過程では，ロボやセンサについての専門知識だけでなく，人のニーズに応えるため設計・計画法，問題が生じた場合のトライアンドエラーの方法，協力者との連携の重要性など，有用なことを多く学ぶことができました．