科学技術・学術政策研究所（NISTEP）では毎年、科学技術イノベーションの様々な分野において活躍され、日本に元気を与えてくれる方々を「ナイスステップな研究者」として選定している。選定された10名のうち、4名の方々に第2回講演会として2024年7月4日（木）に自らの研究活動やキャリアパスについて御講演頂いた。本記事では、それぞれの御講演内容に沿って要旨とポイントを記載している。

キーワード：ナイスステップな研究者

講演要旨：

食品のおいしさは味や香り、食感などによって影響を受ける。私はこれらの特性を光の吸収・蛍光・散乱によって非破壊的に計測する手法を開発してきた。非破壊評価のメリットとして、迅速・簡易的であり、試料を破壊しないため全数検査が可能である点、計測に伴う廃液が出ない点などが挙げられる。本講演では、蛍光指紋、レーザー散乱法、空間的スペクトル分解法、という三つの非破壊評価法について、原理と応用例を紹介する。蛍光指紋法は、食品に含まれる自家蛍光物質を網羅的に計測する技術であり、農産物の産地や食品の熟成など、様々な成分が関わる特性を評価することができる。レーザー散乱法は、計測対象の微細構造とそれに関連した食感の推定に利用できる技術で、例えば貯蔵中のリンゴの硬さ推定などが可能である。最後に、空間的スペクトル分解法は、非破壊評価でありながら、計測対象に含まれる複数の成分を分離できないか、という問いから生まれた計測法である。食品は生きていく上で不可欠なものであり、文化的にも精神的にも重要な役割を果たしている。そんな食品を計測するための新しい手法を、今後も開発していきたいと考えている。

講演のポイント：

私の研究は、一言で申し上げますと、光を使って食品や農産物を非破壊で評価する技術の開発です。光が物質に当たると、吸収や反射、散乱、透過、蛍光など様々な相互作用が起こります。これらの現象を計測することで、物質の情報を得ることができます。例えば、蛍光物質が含まれている場合、その蛍光の強さから濃度を知ることができます。光を使う計測は、物質を傷つけないため、計測後も食品をそのまま食べることができます。

光を使った農産物の評価は既に実用化されており、例えばメロンの糖度測定などがあります。しかし、私は糖度だけでなく、より複雑な成分や構造を非破壊で測定できないかと考えています。

今回の発表に当たり、研究に興味を持ったきっかけも入れた方が良いということだったので、ここで少し私の背景についてお話しさせてください。父の仕事の関係で、ネパールで生まれ、その後もスリランカ、エチオピア、スイスといった国々で育ちました。小学6年生のときに日本に戻りました。発展途上国に住んでいた経験から、日本の食文化に対する憧れが常にありました。毎年夏に日本に帰省すると、スーパーに並ぶ豊富な食品や、食べやすい味付けに感動したものです。これらの経験が、食に対する興味や情熱につながっているのだと思います。

現在の研究は、大きく分けて非破壊評価と食品加工の二つの軸があります。この二つは対になっていまして、新しい評価方法を開発するためには中身の分かっている試料が必要ですし、逆に加工して何か未知の食品を作り評価するには、確立された計測手法が必要になります。この二つの軸を回していくことで、研究を進めていきたいと考えているところです。（図表1）

非破壊評価の具体的な技術を幾つか簡単に御紹介します。

まず「蛍光指紋」という方法があります。食品に含まれる様々な成分を網羅的に計測し、そのデータからポリフェノール量や産地などを推定します。一度蛍光指紋を計測して推定式を求めてあげれば、光で測るだけで推定が可能になります。例えば、マンゴーの産地判別では、果皮の蛍光指紋を測定することで、高い精度で沖縄産、宮崎産、台湾産を区別することができました。

次に、「レーザー散乱法」という技術です。散乱とは光が微少な構造によって反射や屈折を繰り返す現象ですが、逆にこれを利用し、レーザーを当てて出てきた光の散乱度合いを計測することで、計測対象の微細構造を推定することができます。これにより果物の硬さ、チーズの熟成度合いといったものを求めることができます。

しかし、非破壊評価には課題もあります。大きなものとしては、リンゴのポリフェノール量等について、個別に推定はできるものの、そこからナシのポリフェノール量といった別食品の推定への応用が難しいという点です。私は、これは計測された光は食品全体の情報を含んでおり、特定の成分について分離できていないのが問題ではないかと考えています。

実はラフな分離であれば可能で、例えば、ある成分Aと成分Bの粉を混ぜたとして、分光器をつけた顕微鏡で見てあげれば、成分Bだけが含まれている部分といった、微小領域のスペクトルの計測が可能です。このように成分分離を行うことを、空間的スペクトル分解と呼んでいます。現時点では、粉の混合物や乳濁液などの単純な試料しか計測ができていないのですが、将来的には複雑な食品への展開も行いたいと思っています。

このような形で、いろいろな用途や需要に合わせた非破壊評価方法を、今後も開発していきたいと考えています。（図表2）

図表1　食品の計測と加工

図表2　非破壊分析×食品

講演要旨：

多細胞生物は、細胞が集団として協調的に振る舞い、秩序ある構造を形成することで、正しく機能する体を獲得する。私は、物理モデリングや数理統計、基板微細加工技術などの理工系諸分野の思想と技術を生物学に融合することで、多細胞集団の秩序形成の背後にある力学を理解することに挑戦してきた。これまでの代表的な業績の中から、本研究ではまず、画像データから細胞に働く力をベイズ推定する手法を取り上げる。続いて、「力が多細胞パターン形成の方向情報をコードする」という力を介した新しい生体内情報処理原理を発見した研究について述べる。最後に、研究者コミュニティの形成と教育プログラムの整備を通じた学際的な生命科学の発展に向けた活動について触れる。

講演のポイント：

本日は、生物の形やパターン形成を物理学と統計学の視点から眺めることで、どのようなことが分かるのかをお話ししたいと思います。

まず、簡単に自己紹介させていただきます。高校時代から、生物を物理や化学の視点で理解したいという思いがありました。そのため、理学を幅広く学べる京都大学の理学部に進学し、最初の2年間は主に物理学や化学の講義を履修しておりました。その後、卒業研究で上村匡研究室に配属され、樹状突起と呼ばれる神経突起のパターン形成について研究を始めました。

神経細胞には軸索と樹状突起という2種類の突起があります。軸索は次の神経細胞に情報を伝えるための突起で、樹状突起は前の神経細胞から情報を受け取り、それを処理する突起です。樹状突起は木のような形をしており、その形状は神経細胞の種類によって多様です。この多様なパターンがどのように生まれるのかを研究していました。

博士号取得前後からは、実験で得られた事実を数理モデルに取り込む研究を始めました。そこからは、現在やっているような生物学と物理学の融合した研究へとシフトしていきました。

研究内容についてですが、生物は動きながらパターンを作ります。これは生命の根本的な性質の一つであり、その原理を解き明かすことで生命の本質に迫れると考えています。特に、多細胞が集団として秩序を形成する過程に注目しています。個々の細胞は局所的な情報しか持たないにもかかわらず、全体として秩序ある構造が形成されることは非常に興味深い現象です。（図表3）

多細胞の秩序形成には様々な要素が関与しますが、私は特に「力学」に注目しています。例えば、ブロックで作られた橋は、ブロック間の力を計算することで崩れない構造を作ることができます。同様に、私たちの体も細胞間の力学的な相互作用によって形作られています。したがって、細胞間の力学を理解せずして、多細胞の秩序形成を理解することはできません。

しかし、生きた個体内で細胞の力を直接測定するのは難しい課題です。そこで、共同研究者の石原秀至さんとともに、「力のベイズ推定法」という全く異なった角度からアプローチすることにしました。力が物体の形を変えるという物理の基本原理を逆手に取り、形から力を推定するという逆問題に取り組んだのです。

この手法により、目に見えない力を非侵襲的に定量化することが可能となりました。さらに、1細胞レベルの解像度で1万細胞以上の力を、一度に計測できるようにもなりました。

また、手法開発だけでなく、実際に生物が、どういう仕組みが働いているかも研究しています。細胞の六角格子化について紹介しましょう。

蜂の巣のように、上皮組織も細胞が六角形のパターンを形成しています。私たちは、組織内の力の異方性が、細胞の並び替えの方向を決定し、それが六角形パターンの形成を促進することを明らかにしました。つまり、力学と幾何学が絶妙に組み合わさることで、細胞の秩序が生まれるのです。（図表4）

最後に、その他の活動についても御紹介します。今の生命科学は学問の総力戦の時代です。私と東京大学の小林徹也さん、慶応義塾大学の舟橋啓さんと共に、2008年に定量生物学の会という会を設立したのですが、様々な分野の研究者が行き交う交差点のような役割を担っています。学際研究のインキュベーターや教科書の共同執筆など、研究と教育の両面で精力的な活動を継続しています。

図表3　生き物は“動き”“パターンを作る”

図表4　多細胞パターン形成の力学：力学と幾何(きか)の協奏

講演要旨：

本講演では、量子多体物理学と情報科学的アプローチの融合・進展について、私自身の研究成果や分野の最先端の知見を紹介した。

量子力学の基礎から量子計算、さらには量子物理と情報科学の融合に至るまでの広範なトピックをカバーしている。まず、量子力学が古典力学と異なる点や、分子・原子・素粒子レベルでの運動の記述について解説した。その上で、量子計算の基本原理とその応用可能性について説明し、特に量子多体問題への情報科学的アプローチに焦点を当てた。量子デバイス制御やマテリアルインフォマティクス、新材料の発見に向けた機械学習の利用法についても紹介した。後半部分では、量子コンピューターが従来の古典計算機と比べて持つ優位性や、量子誤り耐性計算機の実現に向けた課題についても触れている。講演の締めくくりとして、量子物理と情報科学の融合がもたらす将来的な展望と、それに向けた研究の重要性を強調した。

講演のポイント：

本日は「量子物理と情報科学のあいだ」というタイトルで、私の研究についてお話しさせていただきます。

私は学部時代から現職まで、これまで一貫して量子物理に関連する研究に取り組んできました。

科学者が自然界の森羅万象を理解したいと思うように、私の研究をするモチベーションとして、量子力学が生み出す現象を理解し、それを情報処理や制御に応用できるようにしたいというものがあります。

量子力学とは、ミクロな世界を記述する基礎的な理論であり、原子や素粒子などの微小なスケールや、低温領域の挙動で支配的な理論です。例えば、水素原子の安定性や、ヘリウムの超流動現象などは、古典力学では説明できず、量子力学を用いることで初めて理解できます。

また、量子力学は超伝導や半導体といった工学的応用や、質量の起源や初期宇宙の状況などの基礎的な興味に基づく場合など、様々な分野で重要な役割を果たしています。さらに、計算機や通信、暗号解読などの量子技術の発展にも大きく関わっています。

しかし、量子力学に従う粒子が多数集まったときの挙動、いわゆる「量子多体問題」は、本質的に難しい問題です。量子多体問題にはサイクルがあると思っており、まず、調べたいターゲットの模型や物質があるのですが、最終的に興味のある状態から、どのような応答を示すのかといった反応物性を調べます。ですがそれぞれのステップには膨大な計算コストがかかります。この問題を解決するために、情報科学の手法を取り入れた研究が始まっており、私もそういったアプローチで研究をしています。（図表5）

例えば、全てのシュレディンガー方程式を真面目に解く代わりに、情報を抽出して、一番本質的な部分でシュレディンガー方程式を解いてあげるという方向性が考えられます。ここにニューラルネットワークのような表現能力の高い情報抽出を応用すれば、情報抽出にバイアスのかからない形で量子状態や量子多体問題を調べることができると期待されます。

現状をお伝えしたわけですが、今までのやり方で十分かというとそうではなくて、理想化極限のモデリングだけでなく現実的な効果をモデリングできる計算も必要になっており、そういった研究を行っています。

特に、熱ノイズや散逸ノイズを含む計算では、世界最高水準の精度を達成し、アメリカ物理学会で特集記事として取り上げられました。また、東北大学の野村先生と共著で『量子多体物理と人工ニューラルネットワーク』という教科書を執筆し、2024年6月に出版しております。

さらに、量子デバイスそのものを用いた量子シミュレーションにも取り組んでいます。量子シミュレーションとは、古典的な計算を行うのが困難なターゲットに対し、制御が比較的簡単な量子系を使ってシミュレーションをしてみようという手法で、リチャード・P・ファインマンという物理学者が提案しました。

量子デバイスの技術は日々進歩しており、業界では、量子版のムーアの法則が見えているのではないかと言う人もいます。（図表6）

量子多体問題に対する今日お話ししたアプローチは、どれも盛り上がり始めたばかりで、最終的な物質の定量予測というところまではまだ距離があると思いますが、これから数十年にわたって取り組むべき課題だと思っていますので、人材育成や共同研究、産学連携にも力を入れて研究を推進していきたいと考えています。

図表5　量子多体問題への情報科学的アプローチ

図表6　これからの量子計算

講演要旨：

宇宙ビジネスの高い成長率を牽引(けんいん)する大きな要因の一つが小型衛星の利活用の普及だと言われており、通信や地球観測用途での衛星打ち上げ数の急成長が期待され、2030年には年間3,000機以上の打ち上げが計画されている。多数の衛星を用いたサービス提供や、宇宙ゴミの低減のためには、衛星を宇宙で能動的に動かして軌道投入や軌道維持、軌道離脱、衝突回避を行うための推進機（エンジン）が必要不可欠である。大学時代には三種類の推進機に関する基礎研究や実利用プロジェクトを行った。その中で、大学や研究機関だけでは解決が難しい、基礎研究と実利用との間の溝を企業として埋め、基礎研究を社会実装したいという思いが強くなった。大学が提供するアントレプレナー教育プログラムや、国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）が展開する研究成果展開事業 大学発新産業創出プログラム等を経て、推進機の事業化を目指し、研究室の仲間らと共に株式会社Pale Blueを2020年に創業した。「宇宙産業のコアとなるモビリティの創生」というビジョンを掲げ、水推進機の社会実装に取り組み、創業から約4年で商用衛星を含め複数の水推進機の宇宙実証に成功し、グローバルに事業展開を行っている。

講演のポイント：

本日は、私がこれまで取り組んできた研究や、現在経営している会社での実用化への道のり、そしてその背景となる経験やストーリーについてお話しさせていただきたいと思います。

私たちの会社は宇宙開発に携わっておりますが、宇宙というと多くの方にとっては遠い存在かもしれません。そこで、まずこちらの写真を御覧ください。これは私の自宅からスマホで撮影した国際宇宙ステーションです。地上から約400km上空を周回しており、東京から大阪ぐらいまでの距離感というと、意外と近く感じられるのではないでしょうか。宇宙は決して遠い存在ではないということをお伝えしたく、最初にこの話題を選びました。（図表7）

私は高知県で生まれ、大学進学を機に東京へ出てきました。東京大学の航空宇宙工学科で学び、2019年に博士号を取得しました。その後、1年間特任助教として在籍し、2020年4月に研究室の仲間や先生方と共に株式会社Pale Blueを創業しました。田舎から東京に出てきて、世界の広さを実感し、海外留学も考えましたが、当時の教授から受けた「一人の研究者として見られるようになってから海外に行った方が良いよ」というアドバイスが心に残り、大学院での研究に専念することにしました。

大学では、人工衛星に搭載する推進機の研究を進めてきました。大型の人工衛星が主流だった時代から、電子部品の小型化やロケット打ち上げコストの低下により、小型衛星が大量に打ち上げられる新たな時代が到来しています。これに伴い、小型衛星を効率的に運用するための推進機が求められています。

私が取り組んできた推進機を簡単に御紹介します。まず、固体推進薬を用いた推進機です。火薬を燃焼させ、そのエネルギーで人工衛星を動かすシンプルな原理です。次に、キセノンガスを使ったプラズマ推進機で、こちらは超小型深宇宙探査機「プロキオン」に搭載し、実際に宇宙での運用を成功させました。しかし、高圧ガスを使用するため安全基準に基づく取扱いや小型化に限界を感じました。

そこで、水を推進剤とする推進機の研究を始めました。水は安全で扱いやすく、小型衛星にも適しています。運が良かったことに、研究グループの立ち上げから関わらせていただいて、ゼロから設計を進めました。この推進機は超小型深宇宙探査機「エクレウス」に搭載されまして、2022年に打ち上げられ、深宇宙での軌道制御に成功しました。（図表8）

これらの経験を通じて、大学での基礎研究と実用化の間には大きなギャップがあると感じました。研究成果を社会実装し、人類の可能性を拡げたいという思いが強まり、会社設立に至りました。また、大学在籍中に参加した「アントレプレナー道場」で、スタートアップの基礎を学び、ビジネスプランを具体化する機会を得ました。

Pale Blueでは、水を推進剤とした推進機の開発と提供を行っています。安全性、入手性、コストの面で優れた水を推進剤とすることで、小型衛星の普及と宇宙産業の発展に貢献したいと考えています。創業から約4年で社員数も50名規模となり、既に複数の水推進機を宇宙に送り出しています。

私たちのミッションは「人類の可能性を拡げ続ける」ことであり、そのために「宇宙産業のコアとなるモビリティの創成」を目指しています。これからも研究と実用化を両立させ、より持続的な宇宙開発に貢献できるよう努力してまいります。

図表7　スマホで撮影した国際宇宙ステーション

図表8　水推進機とその実証衛星を開発

次号では、2024年7月23日（火）に開催した第3回講演会について紹介する。

＜講演資料掲載ページ＞

第2回　https://www.nistep.go.jp/archives/57527

※本記事内図表は全て講演者の使用スライドより許可を得て掲載。