研究

トポロジー最適化は、従来の設計手法では実現が難しい、優れた性能を有する革新的な構造を創出できる可能性を秘めています。しかし、最適化によって数値予測された高い性能が、実験や実際の製品において必ずしも再現されるとは限りません。その大きな要因の一つとして、最適化された構造が過度に複雑となり、製造が困難になることが挙げられます。また、複数の分離した部材や組み立て部品から構成される構造では、部材同士の相対位置や接続方法に対する感度が高くなり、それらのわずかな違いが性能に大きな影響を及ぼす場合があります。

このような製造上および構造上の課題を解決するため、本研究室では、幾何学的制約を考慮したトポロジー最適化手法の研究を進めています。具体的には、制約条件を適切に扱うための最適化手法や数学的定式化、さらに設計条件に応じて最適化パラメータを自動的に調整する適応的な制御手法の開発に取り組んでいます。これらの研究を通じて、高い性能を維持しながら、製造性・頑健性・実用性を兼ね備えた構造設計を実現し、計算機上で得られた最適設計を実際の工学構造へとつなげることを目指しています。

光学クローキング（Optical Cloaking）は、光の伝播を制御し、電磁波を物体の周囲へと迂回させ、物体による光散乱を極限まで小さくすることで、物体を見えなくすることを目指す先進的な技術です。光が物体の周囲を滑らかに回り込み、その後も元の経路へと自然に戻ることで、周囲の光学場の乱れが最小限に抑えられ、物体の存在を検出しにくくすることができます。この概念は、電磁波を自在に制御し、新たな光学機能を実現する有望な技術として注目されています。

光学クローキングの概念は、近年では光学分野にとどまらず、力学・熱・音響など、さまざまな物理分野へと応用されています。これらの研究では、材料や構造の分布を設計することで、応力、熱流束、音波などの物理量の伝播を自在に制御し、特定の物理現象に対して物体を「検出されにくくする」ことを目指しています。

本研究室では、トポロジー最適化を高度な最適化アルゴリズム、高精度な構造解析、および効果的な制約条件処理手法と組み合わせることで、多物理場に対応した高性能なクローキング構造や、多機能性を備えたクローキングデバイスの設計手法を研究しています。これらの統合的なアプローチにより、複雑な設計空間を効率的に探索し、複数の性能要求を満たしながら実用性も兼ね備えた革新的な構造の創出を可能にしています。

さらに、光学・力学・熱・音響などのさまざまなクローキング問題にトポロジー最適化を適用することで、高性能かつ多機能なクローキングデバイスを体系的に設計するための新たな設計手法の確立を目指しています。

これらの研究は、従来の設計手法では実現が困難であった新しい機能を備え、物理場を自在に制御できる次世代材料・構造の創出に貢献することが期待されています。

詳細は下記を参照ください：

Applied Physics Letters Vol. 102 (25), p. 251106 (2013) | Applied Physics Letters Vol. 112 (6), p. 061108 (2018) | Applied Physics Letters Vol. 115 (17), p. 174101 (2019) | Applied Physics Letters Vol. 118 (10), p. 101102 (2021) | Optics Express Vol. 30 (4), pp.6090–6106 (2022) | International Journal of Heat and Mass Transfer Vol. 242, p. 126834 (2025) | International Journal of Heat and Mass Transfer  Vol. 261, p.128561 (2026)

位置カモフラージュ（Location Camouflage）は、波動、熱、力学応答などの物理場の空間分布を制御することによって、物体や物理源の見かけ上の位置を実際の位置とは異なる場所に見せることを目的とした、先進的な物理場制御技術です。材料分布や構造形状を適切に設計することで、周囲の物理場を意図した形に制御し、あたかも物体や物理源が別の位置に存在するかのような物理場を再現することができます。

この概念を用いることで、物体や物理源の実際の位置を変えることなく、力学・熱・音響などにおける応答の見かけ上の発生位置を移動させることが可能となります。その結果、外部の観測者には、物理現象が実際とは異なる場所から生じているように認識させることができます。

本研究室では、トポロジー最適化を高度な最適化アルゴリズム、構造解析技術、および制約条件処理手法と組み合わせることで、位置カモフラージュ構造を実現するための計算設計手法を研究しています。この統合的なアプローチにより、複雑な設計空間を効率的に探索し、実用的な設計条件を満たしながら、物理応答の空間分布を自在に制御できる革新的な構造の創出を目指しています。

さらに、多物理場への適用や多機能化に対応したトポロジー最適化の設計フレームワークを構築することで、物理現象の見かけ上の位置や材料分布を自在に制御できる新たな構造設計原理の確立を目指しています。

詳細は下記を参照ください：

Optics Express Vol. 31, Issue 22, pp. 37302–37315 (2023) | Journal of Sound and Vibration Vol. 559, p. 117768 (2023)