流れの「かたち」解析による装置開発 ~流線位相データ解析による効率的粉体分級装置の開発~

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2019-09-30   京都大学,京都教育大学,日本ニューマチック工業株式会社,科学技術振興機構

京都大学 大学院理学研究科の坂上 貴之 教授と京都教育大学 教育学部の横山 知郎 准教授は、日本ニューマチック工業株式会社(NPK)と共同で、さまざまな粒径を持つ粉体から細かい粒径の粒子を空気の流れによって分離する装置(分級装置)の開発に、応用数学の手法の1つである流線トポロジーデータ解析を応用しました。

その結果、従来よりも高い分離性能を持つ分級装置の製品開発に成功しました。分級装置はトナー、衣料品、化粧品、電子材料などの粉体を加工する機械設備で、高い分離性能を達成する本装置の開発は社会的にも意義のあるものです。本製品は2019年10月16日〜18日にインテックス大阪にて開催される「粉体工業展大阪2019」において出展されます。

本技術は専門分野の壁を超えて分かり合える「『ながれ』の共通言語を作ろう」を合言葉に坂上教授と横山准教授が数学を用いて開発した流れパターンの分類理論に基づいて、NPK社の3次元数値シミュレーションデータを解析評価し、開発を繰り返すサイクルを実施することにより達成されています。

また、本技術は数学理論の普遍的性質を最大限に生かすことにより、分級装置の開発にとどまらず、広範な流体機械設計に利用できる基盤技術です。現在、科学技術振興機構(JST) 未来社会創造事業の支援を受け、この理論のさらなる進化と医療や材料科学、産業といったさまざまな分野に応用可能な共通基盤技術となることが期待されています。

本研究は、科学技術振興機構(JST) 未来社会創造事業(探索加速型)「共通基盤」領域(重点公募テーマ「革新的な知や製品を創出する共通基盤システム・装置の実現」、運営統括:長我部 信行)」における研究開発課題「包括的トポロジカルデータ解析数理共通基盤の実現」(研究開発代表者:坂上 貴之)およびJST 戦略的創造研究推進事業(さきがけ)「社会的課題の解決に向けた数学と諸分野の協働」研究領域(研究総括:國府 寛司)における研究課題「流れの位相的な文字化理論とその計算機上への実装」(研究者:横山 知郎)による支援を受けて行われました。

<背景>

医学・工学・環境・生命に関する多くの研究や開発では、計算機シミュレーションや実験によって必要な物理量を取り出すことや、流体の流れを「可視化」して、その流れを把握することがよく行われます。しかし、流れパターンの状況やその微妙な違いを完全に区別して誰もが理解できる形で表現することは従来技術では難しいものでした。

本成果の実現にあたり、2010年10月〜2016年3月までの期間、科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業(CREST)による坂上教授への支援により、流体現象に現れる流れのパターンを数学における位相幾何学(トポロジー)注1)や力学系理論注2)を用いて分類する数学理論を開発し、それを計算機上で実現するプログラムや装置を特許技術として出願・権利化しました。

この技術により、以下のようなことが可能となりました。

○ 流線トポロジーデータ解析(Topological Flow Data Analysis=TFDA)

流れに関わる分野の大量の流れパターンデータのトポロジー構造注3)に固有の文字列を割り当てます。こうした文字列情報を機械学習やAIと組み合わせることで、これまでには見えなかった流れの特徴情報の分別が可能となります。

○ 流れの経験知の顕在化

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