人工股関節で不自由のない生活を

変形性股関節症とは、股関節の軟骨がすり減って、関節が変形する病気。特に高齢者に多く、関節が変形してしまうと痛みが生じ、歩きにくくなります。そこで、悪くなった関節を金属 、セラミック、ポリエチレンなどでできた人工の関節に入れ替える人工股関節全置換術という治療法があるんです。高齢者のQOL(日常生活の質)を高める治療効果の高い手術なんです。

置換術後に人工股関節が歩きやすさに与える影響を明らかにしよう！

コンピュータシミュレーションを用いて歩行時に股関節に作用する力を推定したり、振り子実験を用いて置換術後の歩き方の変化を予想したりして、最適な人工股関節の形状と設置方法を考案する、そんなことができるんです。こうした人間の構造や運動について物理学を用いて解析し、医学や工学に応用するのがバイオメカニクスです。人工股関節などの医療器具・医療機器の設計開発に関わる研究が進められています！

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血管は、全身に酸素や栄養分を運ぶ重要なパイプ

血管は全身に酸素や栄養分を運びますが、油っぽい食べ物をたくさん食べると血液中にコレステロールが増えて血管をつまらせることがあります。また、老化によって血管がもろくなった状態で高血圧を放置しておくと、血管の一部が膨らむ、血管が破裂するなど、命に関わる状態になります。血管の病気には、血液の流れや血圧という機械工学的因子が非常に大きく関わっています。

流体力学で血管と血液の流れの関係を解明する！

「血管病」と「血液の流れ（血流）」の間には密接な関係がある、ということは、まさに、管の中の流れのメカニズムを探る「流体力学」が大いに役立つというわけです。今後ますます、生物の体を対象とした「生体流体力学」の研究が医療に貢献すると考えられています。ここでは、医療データをもとに生体内の現象を再現したシミュレーションを用いて研究が行われています。また、血液の流れがどのように血管の組織に作用するか、細胞の研究も行なっています。

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環境にやさしくて便利な電動キックボード

少子高齢化、脱炭素社会が進むこれからの社会に、自動車のEV化をはじめとするさまざまな電動マイクロモビリティが普及し始めています。中でも電動キックボードは16歳以上なら免許不要で公道を走れる気軽な移動手段として注目を集めているんです。今後は三輪のものやシートのある機体なども続々開発されるとあって、近未来のまちの中はマイクロモビリティだらけになっているかも！？

電動キックボードから都市のモビリティを考える

電動モビリティの開発は急ピッチに進んでいます。でも、電動モビリティがまちに溢れたら、交通安全上の問題は？駐車スペースは？といった課題も出てきます。そこで、産官学で連携協定を結び、電動キックボードのシェアリングサービスを実施して利用状況を分析したり、公道を模擬したコース内での試験走行を実施して、幅広い年齢層で安全性の検証を行っています。電動キックボードを安全に使えるまちづくりへの取り組みが進んでいるんですよ。

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省エネと創エネを組み合わせたビルや住宅

建物のゼロエミッション化は二酸化炭素などの温室効果ガスや大気汚染物質などの総合的な環境負荷の削減を目標にしています。建物のゼロエミッション化の実現に向けて、エネルギー消費に注目すると、ZEB(ゼブ)やZEH(ゼッチ)などのエネルギー収支ゼロを目指した取り組みが盛んです。これらの取り組みは、省エネ技術と再生可能エネルギーを使った創エネ技術などのさまざまな要素技術の組み合わせが重要になります。

持続可能社会実現に向けたエネルギー利用方法を考える

エネルギー収支ゼロを目指す重要な技術の一つとして、暖冷房や給湯などで利用されているヒートポンプがあります。空気熱、地中熱、河川(温泉)水熱などの再生可能エネルギーをヒートポンプの活用によって熱エネルギーとして利用することができる技術です。今後さらに期待されるヒートポンプ技術のさらなる高効率化をめざすとともに、再生可能エネルギーのさまざまな利用方法に対応する研究を進めています。有限なエネルギー資源を持続的に活用する社会、まさに地球にもやさしいロハスな社会ですね。

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打ち上げ失敗の原因はエンジンによるもの！？

宇宙への輸送手段として、いま最も注目を集めているのが日本の新しい基幹ロケット『H3ロケット』。宇宙航空研究開発機構(JAXA)が2号機の打ち上げに成功し、ますます期待も高まっていますね。ロケットが宇宙まで到達するためには、膨大な推進力となるエンジンが必要になるのですが、世界のロケットの打ち上げ失敗の多くは、エンジンまたはそれに関連する部分が原因と言われています。ロケットを無事に宇宙まで送り届けるために、日夜改良が進められています。

ロケット開発から宇宙空間まで、流体力学が重要な鍵を握る

ロケットに用いられるエンジンの性能向上に欠かせないのが流体力学。高速流体機械などの超高速回転するロケットターボポンプという高速流体機械では、高速で流れる液体の中で局所の圧力低下により短時間に泡の発生と消滅が起きます。この現象はキャビテーションといい、ロケットの性能低下につながることが問題となっています。そのために、数値流体力学の手法を用いることで流体の流れをシミュレートし、流れ構造の解明、さらに流れ場の最適化をめざして研究を行っています。流れの挙動を予測できれば、宇宙空間での操縦も可能になっていくことでしょう。

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宇宙開発を支える技術

宇宙空間は超高真空で、太陽光が当たる面と影になる部分の温度差は240℃以上になることもあります。さらに、液体水素ロケット燃料は-250℃、燃焼室の温度は3000℃、圧力は100気圧に達します。だから、ロケット本体やエンジンの部品もこういった極限条件に耐えられるものでなければダメなんです。ロケットなどの機械装置は、様々な特殊な部品や、軸受、歯車、ねじ、シールなどの機械要素部品で構成され、それらの一つ一つに極限条件下で常に正常に作動するための設計技術や加工技術が不可欠です。また、高速で回転する部位などでは動きをスムーズにするために通常は潤滑油が欠かせませんが、宇宙空間は高真空で潤滑油が蒸発してしまうため、特殊な材料や潤滑技術が必要です。これにはトライボロジーという分野の技術が使われていて、宇宙開発を支えてきたキーテクノロジーのひとつです。

機械を長期間無駄なく動かすために、トライボロジーで
最適設計をめざす！

トライボロジーとは、摩擦、摩耗、潤滑に関する科学技術です。摩擦が大き過ぎればエネルギーの無駄となり、小さすぎればブレーキは効かず、滑って歩くことすらできません。ロケットや自動車など数多くの「動く機械」だけでなく、人工関節や血管内治療に用いるカテーテルなど健康な暮らし方を維持・増進する医療器具にも摩擦・摩耗・潤滑の最適化は不可欠です。ここでは、現代社会のニーズに即対応できる技術から100年先を見据えた技術まで、環境にやさしい機械をつくるためのトライボロジーの研究が行われています。

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ISSと日本の宇宙実験棟「きぼう」

日没後、ふと空を見上げると、飛行機よりも速く動く明るい光点を発見！もしかしたらそれは、上空およそ400kmに浮かぶ巨大な宇宙実験施設 ISS (国際宇宙ステーション)かもしれません。ISSは宇宙空間で人類が活動するサッカー場よりも大きな場所。そこには宇宙航空研究開発機構 (JAXA) が開発した日本の宇宙実験棟『きぼう（KIBO）』があり、宇宙だけの特殊な環境を利用したさまざまな実験や研究が行われているんですよ。そのひとつが、電気自動車（EV）での活用などを中心に、次世代バッテリーとして注目されている｢全固体電池｣なのです。

より優れた全固体電池の実現をめざして

全固体電池はリチウムイオン電池を改良し、-40℃～120℃という広い温度範囲で使用が可能で、破裂したり発火したりするリスクが低い安全な電池で、宇宙空間のように温度差が激しかったり、放射線にさらされるような厳しい環境でも大丈夫！さらに活躍が期待される全固体電池ですが、固体であるために機械的な破壊、劣化の可能性もあるのです。そこで、より機械的に優れた特性を持つ全固体電池の実現をめざし、全固体電池に使われている材料の機械特性を明らかにする研究を行っています。

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