近年、ナノテクノロジーによる機械の小型高性能化は目覚ましく、普段の生活でもコンピュータや携帯電話などの製品を通してその恩恵を実感できます。こうした進歩には、部品の一つ一つをナノスケール（10億分の１メートル）で小さく作り出すことはもちろん、目に見えないサイズの加工や性能評価などの技術が重要となってきます。本研究室では、ナノ構造体の創製・加工・評価などの様々な方法でナノテクノロジーに取り組み、伝統的な機械工学の枠を超えた他分野への展開を目指しています。また、医療への貢献を目的に、ナノ・マイクロ領域の力学を基にして、生体モニタリングなど人間対象の研究も行っています。

図1 独自の技術で作り出した様々なナノ構造体を電子顕微鏡で観察している様子。ナノコイルはバネとしての利用はもちろん、極小の電磁石や電磁波吸収材として応用が期待できる。また、ナノチューブやナノフラワーは、広い表面積を有するため、化学触媒、センサなどへの応用が期待できる。

図2 センサの上に寝るだけで心拍と呼吸の同時モニタリングが可能

足立研究室では、水や空気の流れや熱の移動についての研究を行います。円柱や角柱などを水や空気が通り過ぎると渦が生じたり、その渦が振動したりすることがあります。なぜ、そのような渦が発生したり消滅したりするのか（流れのパターン変化）を調べます。そしてそのとき、熱の伝わりが良くなるのか悪くなるのか、どうなっているのかということなどを明らかにしていきます。このような研究は、熱流体機器の高性能化につながり、環境問題や自然エネルギー開発の成否に関係する重要でやりがいのある、おもしろい研究です。最近は航空機関連の研究も行っています。

図1 は、航空機の電動化に関する研究で、航空機からの排気を利用した熱エネルギー回収に関する熱力学モデルです。

図2は、OpenFOAM を用いた流体のシミュレーション結果です。流体現象をスパコンで計算します。

図3は、流体の基本法則を応用して、自律的に走行するロボットを作製したものです。

超精密加工、マイクロマシン、機能性表面、トライボロジー特性など機械工学における様々な分野において、表面構造を制御することによる性能向上が取り組まれています。そのために、サブミクロンスケールの微小領域における極表面層の構造評価が重要かつ不可欠になってきています。光と物質の相互から生じる光散乱現象であるラマン分光分析技術は、非破壊・非接触で表面の結晶構造や応力・ひずみを評価できる有力な手法です。ラマン分光分析法を用いて様々な材料・デバイスの表面構造の評価を進めるとともに、新規ラマン分光分析技術の開発に取り組んでいます。

図1はSi単結晶に機械的な押込みをした圧痕です。ラマン分光分析により、圧痕中心では、不安定相への構造相転移、周辺部には大きな残留応力があることがわかります。

図2は表面に非晶質層があるSiのラマン散乱スペクトルです。鋭いピークが結晶、広いピークが非晶質に対応し、異なる波長を用いることによって非破壊で深さ方向の情報を得ることができます。

流体力学の最も基本的な（未解決）問題である「流れの不安定性と乱流遷移」を研究しています。やや古典的ですが，決定論に基づく手法Sequential Bifurcation Approachにより、流れの安定性と遷移を調べ、遷移に見られる普遍的な概念を探求しています。
流体力学の応用として、Seawater Greenhouseを用いる影テント農法を熱流体力学的観点から検証し、その発展について研究を行なっています。

図1は、流れの遷移を表す概念図（Taylor-Couette流れの場合）。実線で表されている安定な流れが不安定となり（破線で不安定な流れを示している。）、新しいより複雑な秩序（流れ）が生まれる。

図2は、砂漠などの乾燥地帯（ただし，沿岸部）に農園を実現するSeawater Greenhouseを用いる影テント農法の概念図。海水と自然風のもたらすオアシス効果により農作物の栽培が可能となる。水不足・食糧不足問題の同時克服が十分可能。

当研究室では、航空機や宇宙機について、運動の解析や、システムの検討を行います。 主な研究分野として、スペースデブリ（宇宙ごみ）対策があります。図１は、地上から観測不可能な微小なデブリの存在密度を知るために、衛星からカメラ付きの柔軟ビームを変形しながら伸展し、衛星表面にできた微小な衝突痕を観察するシステムの提案です。デブリを捕獲し、大気圏内へ落下させる除去技術についても、運動の解析を行っています。
月・惑星探査では、探査車の移動や、土壌サンプルの採集装置について研究しています。図２は、月面で発見された縦孔の探査のため、安全に降下する装置を提案したものです。 また、航空機電動化プロジェクトに参画し、電力平準化・システム冗長化の研究を行っています。

原子間力顕微鏡は、鋭い探針と表面間に働く力を検出し、表面の構造をナノスケールの分解能で可視化する顕微鏡です(図１)。観察環境の制約を受けずに動作するのが特徴で、条件が整えば、表面の原子配列も見えます。探針と表面の材料の組合せを変えれば、構造と同時に、表面の機械的、電気的、磁気的な性質の計測も可能です(図２)。当研究室では、急速に微細化が進む電子・磁気デバイスやその材料の開発評価に役立つ新規なイメージング手法を開発しています。

図1：片持ち梁先端の探針を振動させながら、表面の極近傍で二次元走査します。力の作用による振動状態の変化から、表面構造を画像化します。

図2：磁性探針を用いてハードディスク表面で同時に取得した構造像（左）と磁気像（右）です。構造像では粒状の凹凸を高さで、磁気像では磁気記録の向きを示す縞状構造を磁気力の勾配で捉えています。