学術的背景 人工知能（AI）の急速な発展に伴い、電子機器は現代生活においてますます重要な役割を果たしています。しかし、これらの機器は稼働中に大量の熱を発生させ、効果的に管理できないと、性能の低下、寿命の短縮、さらにはシステムの故障につながる可能性があります。そのため、熱管理は将来の電子機器開発における重要な課題の一つとなっています。従来の冷却技術は有効ですが、機器の電力密度が増加するにつれて、これらの技術ではニーズを満たすことが難しくなっています。特に、「ダーク・シリコン問題」（Dark Silicon Problem）——熱制限により、チップ内のすべてのトランジスタが同時に動作できない問題——が熱管理の複雑さをさらに増大させています。 この課題に対処するため、上海交通大学と南洋理工大学の研...
微量分析物のリアルタイム検出のための分子アンテナ強化光熱分光技術 学術的背景 環境や安全モニタリングにおいて、リアルタイムで高選択性かつ高感度に微量の気態化合物を検出することは重要な課題です。特に、全フッ素および多フッ素アルキル物質（PFAS）のような新興環境汚染物質の大気中の選択的検出の必要性が高まっています。従来のマイクロ/ナノセンサープラットフォームは感度の点で潜在能力を持っていますが、表面積が小さく、化学的選択性が低く、応答時間が長いため、リアルタイム検出のニーズを満たすことが困難です。光熱分光技術は、中赤外分光の高選択性とマイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）センサーの高熱感度を組み合わせ、高選択的な検出方法を提供します。しかし、マイクロ/ナノセンサーの表面積が限られてい...
ローラーカム駆動型圧縮エラストカロリック冷却装置：高冷却出力密度のブレークスルー 学術的背景 地球温暖化が深刻化する中、従来の蒸気圧縮（Vapor Compression, VC）冷凍技術は、水素フルオロカーボン（Hydrofluorocarbons, HFCs）などの冷媒を使用しているため、その高い地球温暖化係数（Global Warming Potential, GWP）が問題視されています。この環境問題に対処するため、研究者たちはより環境に優しい冷凍技術の代替案を探求してきました。エラストカロリック冷却（Elastocaloric Cooling）は、固体材料に基づく冷凍技術として、ゼロカーボン排出と高いエネルギー効率の可能性から注目されています。エラストカロリック冷却は、材料の応力誘...
形状最適化と形状変形問題のためのプログラマブル環境「Morpho」の開発と応用 学術的背景 ソフトマテリアル（soft materials）は、特にソフトロボティクス、構造流体、バイオマテリアル、粒子媒体などの科学および工学分野において重要な役割を果たしています。これらの材料は、機械的、電磁的、または化学的な刺激を受けると劇的に形状を変化させます。これらの形状変化を理解し予測することは、設計の最適化とその背後にある物理的メカニズムの理解において重要です。しかし、形状最適化問題は通常非常に複雑であり、既存のシミュレーションツールは機能が限られているか、汎用性に欠けるため、研究者はこれらの問題に取り組む際に多くの課題に直面しています。 この課題を解決するために、研究者は形状最適化問題のための汎用...
深層学習フレームワークを用いた多体シュレーディンガー方程式のスピン対称性解法研究：新手法の画期的成果 量子物理学および量子化学の分野において、多体電子系の記述は重要な課題でありながらも非常に困難な問題である。電子間の強い相関を正確に特徴付けることは、触媒、光化学、超伝導性などの分野において特に重要な意義を持つ。しかし、広く使用されているKohn–Sham密度汎関数理論（KS-DFT）などの従来の手法では、多参照系における静的相関の記述に不十分な点が残っている。この不足は「対称性ジレンマ」（symmetry dilemma）として知られる問題を引き起こし、物理的でない状態であるスピン対称性の破れた解がより低いエネルギー結果を得ることがある。さらに、波動関数法は静的相関を捉える点では優れているが...
皮膚がん診断を支える新しい手法：光音響イメージングとレベルセット分割アルゴリズムに基づく研究 近年の地球環境変化や人口の高齢化に伴い、皮膚がんの発生率は年々増加傾向にあります。皮膚がんは、重要な公衆衛生上の課題となっており、代表的な非メラノーマ皮膚がんには、扁平上皮がん（Squamous Cell Carcinoma, SCC）と基底細胞がん（Basal Cell Carcinoma, BCC）が含まれます。その中でも、基底細胞がんは最も一般的であり、米国では毎年約430万件の新たな症例が報告されています。このがんは死亡率こそ低いものの、患者の生活の質や医療資源に対して重大な負担をもたらしています。 基底細胞がんの臨床診断および治療には、いまだ多くの課題が存在します。従来の腫瘍境界評価法は主...
背景紹介 白内障手術や水晶体交換手術の普及に伴い、人工水晶体（intraocular lens, IOL）の光学性能は術後患者の視覚品質において重要性を増しています。臨床的な視覚性能（視力や焦点範囲など）の予測は眼科分野における重要な研究テーマとなっており、特に異なる設計のIOLを議論する際には、その光学性能が瞳孔サイズの変化によって異なる可能性が注目されています。しかし、現在の既存の予測モデルは固定された瞳孔サイズを前提としており、実際の臨床応用におけるこの重要な変数を無視しています。 近年、標準化されたプロセス（例: ANSI Z80.35-2018およびISO 11979-7:2024）が単眼デフォーカス曲線（monocular defocus curve）を導入し、IOL（例: 延長...
赤血球沈降および外部磁場の影響に関する三次元モニタリング研究：科学の新たな視点 背景および研究目的 現代社会において電子機器の普及に伴い、人々の生活環境はますます多くの外部磁場（Magnetic Fields, MFs）の影響を受けるようになっています。しかし、これらの磁場が生体、特に血液中の赤血球（Red Blood Cells, RBCs）の挙動に与える潜在的な影響について、科学界ではまだ包括的な理解が確立されていません。赤血球は酸素の運搬に不可欠であり、その形状とサイズは最も狭い血管を容易に通過して、体内の組織や臓器に効率的に酸素を供給することを可能にしています。身体の炎症や他の病態を評価する指標として、赤血球沈降率（Erythrocyte Sedimentation Rate, ES...
新しいコンパクト型二重パス眼内散乱測定システムに関する研究進展 学術的背景 世界保健機関（World Health Organization, WHO）の報告によると、白内障は世界中で失明の主な原因となっており、失明症例の約50％を占めています。全世界で2000万人以上が白内障により視力を失う、または重度の視力障害を抱えています。現在の治療方法は主に手術に依存しており、混濁した水晶体を除去し、人工水晶体を挿入することで視力を回復させています。しかし、白内障の発生機序に関する研究が進むに伴い、薬物による予防および治療への期待が高まっています。この期待を実現するためには、白内障の初期症状を正確に監視することが極めて重要です。 白内障の初期症状はほとんど目立たず、または検出が困難な場合が多いですが...
皮膚の色素沈着バイアスの挑戦：組織酸素測定における時域近赤外分光技術の応用 背景と研究動機 近年、光学技術は医療診断と治療における利用が急速に進んでいます。しかし、皮膚の色素沈着レベル（皮膚中のメラニンの含有量）の違いが光学デバイスの精度に著しく影響を及ぼす可能性があります。たとえば、COVID-19パンデミック中、複数の臨床医が報告したように、脈拍血中酸素飽和度計（SpO2）は低酸素状態にある肌の色が濃い患者に対して十分に正確な結果を示せませんでした。この問題は研究界において光学デバイスの多様な患者層への対応能力を再評価するきっかけとなりました。しかし、異なる光学デバイスに対する皮膚の色素沈着の影響に関する研究は依然として非常に限られています。特に新たに登場した時域近赤外分光技術（Time...