木村建次郎教授が世界初で解いた”波動散乱の逆問題”を応用した技術をサイエンスZEROが紹介。

波動散乱の逆問題の数式

2021年2月7日(日)放送のNHK Eテレ「サイエンスZERO」で、あのSBIホールディングス代表取締役社長CEO北尾さんが「やっぱり先生天才だわ」と称賛した神戸大学数理・データサイエンスセンターの木村建次郎教授の発明について放送されていました。

逆問題を解くことで可視化した様々な装置

出典:NHK

神戸大学数理・データサイエンスセンターの木村建次郎教授らは、応用数学の歴史上の未解決問題であった“波動散乱の逆問題”を解析的に解き、その理論を活用することで、あらゆる分野で「見えないものを見る」ことを可能にしています。

その中の一つ、微弱な電波で乳がんを高精度に可視化する世界初の“マイクロ波マンモグラフィ”について「朗報! 痛くない、被曝がない、高精度の乳がん検査装置マイクロ波マンモグラフィが2021年秋冬には世に」という記事にしました。

今回の「サイエンスZERO」ではその他の分野での活用についても放送されていましたので記事にします。

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“波動散乱の逆問題”を応用した技術が次々に!

乳がん検査装置

X線マンモグラフィでの乳がん検査の大きな課題

日本人の女性9人に1人がかかるほど乳がんですが、現在主流のX線マンモグラフィ検査はすごく痛かったり、決して精度が高い(がんを見落とす可能性がある)とは言えない課題があります。

X線マンモグラフィーによる乳がんがある乳房の画像

出典:NHK

上の画像はX線マンモグラフィでの乳房ですが、白くなっているところが乳がんです。

高濃度乳房

出典:NHK

乳房の形を支えるコラーゲン繊維が多い人の場合、その繊維が白っぽい塊となって映ってしまいます。

高濃度乳房と言われています。
この高濃度乳房は日本人女性、特に若い女性の人に多いとされています。

問題は高濃度乳房の中にがんが隠れている場合があるということ。そのため、X線マンモグラフィでは発見が難しいという現状があります。

この問題の解決に取り組んでいるのが神戸大学数理・データサイエンスセンター木村建次郎教授です。

マイクロ波マンモグラフィと”波動散乱の逆問題”

木村教授のマイクロ波マンモグラフィの開発過程や仕組みについてはぜひ以下の「サイエンスZERO」動画を見てください。

すごくわかりやすく解説されていますので。

 

 

 

 

アインシュタイン相対性理論の数式も、木村教授の解いた”波動散乱の逆問題”の数式というもに本当にただただスゴいと驚くだけです。

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そのほか木村教授が解いた数式で見えないものを可視化して、実用化されている技術

リチウムイオン電池の非破壊検査機

リチウムイオン電池はエネルギーを蓄えようとすればするほど発火するリスクが高まっていきます。

実際に発火した事故も度々報告されてきました。

その発火するかもしれないかどうかを使う前にチェックするためには今までは内部を調べるためには電池を分解するしかありませんでした。

しかし、木村教授の数式により、分解せずにリチウムイオン電池の内部の異常を調べる検査装置ができました。

どうやって異常をしらべることができるのか?

電池から発生している微弱な磁場を測定し、ここから逆問題を解くことで内部の状態を探ります。

正常なリチウムイオン電池の内部

出典:NHK

赤がプラスの電極で黒がマイナスの電極でその間の緑色部分が電気を蓄める部分です。

異常なリチウムイオン電池の内部

出典:NHK

一方、緑色である電池の部分が少し赤くなっています。

逆問題を解くことで内部の異常を探り当てることが出来るようになったのです。

リチウムイオン電池の非破壊検査機で取得したデータ

出典:NHK

「非常に高感度な磁気センサー、人間の脳とか心臓から出てくるような弱い磁界を測ることができるデバイス(装置)と電流が漏れている部分を正しく計算してが増加する計算技術」
「この2つが世界の誰も今まで実現できなくて、ここでは初めてそれが成功したのです」

このリチウムイオン電池の検査装置は既に世界各国の自動車メーカーで使われているということです。

コンクリート内部の腐食検査機

打音検査1

出典:NHK

従来は技術者がハンマーを使ってトンネルの壁を叩いて出る打音で異常を調べる打音検査というものでしたが、

打音検査2

出典:NHK

電車が走りながらリアルタイムでトンネルの中の全内部構造を可視化していくことができます。

トンネルの内部構造を可視化するシステム

出典:NHK

スーパーセキュリティゲート

スーパーセキュリティゲートは今年、2021年に製品化される予定。

銃などを透視

出典:NHK

検査装置の前を人が通ると、鞄や衣服の中に隠している銃や刃物などの凶器を透視できるゲート。

ショッピングモールやテーマパークなど多くの人が歩いているところで不特定多数を狙ったテロなどを未然に防ぐために開発しているのです。

危険物をAIに記憶させていっている最中だそうです。

以下は木村教授が2017年に作成した開発企画案です。

目的:
超高感度磁気センサアレイの計測データから、磁場分布を画像再構成理論を用いて計算し、蓄積データとの照合により危険物を検出する次世代セキュリティシステムを開発。

スーパーセキュリティゲート

出典:国立研究開発法人 科学技術振興機構

研究概要:
交通施設・イベント会場・商業施設・学校等、多くの人が集まる場所での凶悪事件が顕在化しており、安全・安心確保は社会の大きな願いである。
しかし、セキュリティ検査のために混雑や渋滞に巻き込まれ、行動の自由が制限されてしまうことは望まれていない。
くらしの利便性と社会の安全性を両立するためには、衣服や鞄、体内に隠し持つ刃物や銃器等の金属物を短時間で自然に、かつ確実に検査する技術が求められている。
本研究では、壁に埋め込む超高感度磁気センサアレイの計測データから、歩行者の位置での磁場分布を画像再構成理論を用いて計算して、予め取得した
データベースと照合することにより危険物を検出する次世代セキュリティシステムを開発する。

引用:「ひとりひとりに届く危機対応ナビゲーターの構築」木村建次郎

 

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最後に

木村教授が解いた”波動散乱の逆問題”が今後も色んな分野の技術にブレークスルーをもたらしていくのが楽しみですね。

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1970年長崎県五島生まれ 現在、家族は妻、息子の2人 品川区在住、品川区勤務 好きな作家:池井戸潤、伊坂幸太郎、真山仁 好きなドラマ:救命病棟24時、医龍 好きな映画:グローリー 好きな女優:石田ゆり子、イングリッド・バーグマン 好きなスニーカーメーカー:PATRICK