ご挨拶
金属を目的の形にする技術は、産業のもっとも基礎的な部分を支えています。自動車の車体も、電子機器の筐体も、その多くは金属の板を変形させて作られます。この工程を計算機の上で予測する技術は、いまや設計の現場で日常的に使われています。
しかし、その計算の中身は、材料の中で実際に起きていることから、まだかなり離れたところにあります。現場で使われている材料モデルの多くは、実験結果に合うように調整された数式であり、なぜその形になるのかを説明するものではありません。合わせられる範囲では驚くほどよく合い、その外側では急に頼りなくなります。
この距離を縮めたい、というのが私の研究の動機です。机上の空論としてのマルチスケールモデルではなく、実際に役に立つものを作ること。微視的な世界と巨視的な世界の間を、一方通行ではなく相互に行き来できる形で橋渡しすること。これが根底にあります。
もう一つ、CAE という言葉について書いておきます。CAE の E は Engineering、すなわち工学です。有限要素法を実行することが CAE である、という受け取られ方をすることがありますが、本来はそうではありません。現象の因果関係を明らかにし、問題の根本的な原因を突き止め、設計や加工に実際に役立つ解決策を導く。そこまでが CAE の守備範囲だと考えています。計算機の中に実験室を持つこと——真の意味での CAE——が、この分野の一つの到達点です。
研究室では、数理的な取り組みが大きな割合を占めます。力学の理論、数値計算、そしてプログラミングが日々の道具になります。同時に、現実の物理現象をよく観察する目も欠かせません。数式の上で整合していても、実際の材料がそう振る舞うとは限らないからです。この二つを行き来できることが、この分野で仕事をするうえでもっとも重要な力だと考えています。
研究室への配属や進学を検討されている方は、研究室を志望する皆さんへ もあわせてご覧ください。
Overview
Oya Laboratory — Department of System Design Engineering, Keio University
We study how metals deform, and how far that deformation can be pushed before it stops being uniform.
A metal sheet is not a continuum. It is an aggregate of crystals, each of which slips, rotates, and constrains its neighbors during forming. Our work is to resolve that discrete world computationally and connect it to the continuum response that engineers design with — and, in the other direction, to carry computed response through to the decisions made in design and production.
This is a theory- and computation-driven group. We develop our own finite element codes, and students take part in that development.
If you are considering applying, see For Prospective Students at the foot of this page.
研究室について
大家研究室は、慶應義塾大学理工学部システムデザイン工学科、および大学院理工学研究科総合デザイン工学専攻システムデザインカリキュラムに所属しています。学科・専攻の中では、設計・生産および CAE の分野を担当しています。
システムデザイン工学科は、モデリング、アナリシス、シンセシスという三つの軸を教育の柱とし、あわせて人間とシステムの調和性を重視しています。当研究室は、この四つに対してそれぞれ次のように取り組んでいます。
モデリング——物理現象の挙動を数式として表すこと。塑性構成式の構築がこれにあたります。
アナリシス——モデルを用いて、設計や生産に有益な解を導くこと。各種のシミュレーション技術を構築しています。
シンセシス——モデリングからアナリシスへと向かう因果の道筋を、逆向きに辿ること。結果から原因を探り、目的にかなうシステムやプロセスを設計します。最適化、機械学習、サロゲートモデリング、統計的手法などを、対象に応じて投入します。
調和——ものづくりの高度化と効率化。軽量化・省エネルギー・省資源による環境問題への対応。SDGs からウェルビーイングへと広がる価値にかなう設計。
構造システムの設計とは、材料に形と構造を与える計画です。そして生産は、それを具体的な物とする手段です。設計と生産は、いずれも材料の利用技術であるという点で一つに繋がっています。当研究室が両方を扱っているのは、このためです。
担当科目については Lectures をご覧ください。
私たちの考え方
離散と連続の境界を解像し、限界を測る。
金属材料は、原子の規則的な配列でできています。その配列の向きが揃った領域が結晶粒であり、材料は無数の結晶粒の集合体です。塑性変形は、それぞれの結晶粒の中で、特定の面と方向に沿って生じるすべりの積み重ねとして進みます。つまり材料の内部は、離散的な構造を持っています。
一方、設計や生産の現場で扱われるのは、板であり、部品であり、連続体としての応答です。応力とひずみという連続的な量で記述され、有限要素法によって計算されます。
この二つの世界の間には、翻訳が必要です。そして翻訳の仕方が、結果を決めます。境界を曖昧にしたまま平均を取れば、何かが失われます。失われたものが問題にならない場面もあれば、まさにそれが答えを左右する場面もあります。
私たちが解像すると言うとき、意味しているのはこのことです。離散と連続の境界で、何が保存され、何が失われるのか。それを曖昧にせず、明示すること。
「限界」とは何か
ここでいう限界とは、材料が破断する点のことではありません。
一様に進んでいた変形が、一様でなくなる点を指します。板材が実際に破断するまでには、析出物の分布や板厚のわずかな不均一さなど、多くの要因が関わります。しかしその手前に、変形が集中へと転じる明確な転換点があります。この転換点は、材料の構成関係から定義できる量です。
そして測るとは、数値を出すことだけを意味しません。計算が出力する量と、実験が観測する量が、同じものを指していると言える条件を明らかにすること。そこまでを含めて、測るという言葉を使っています。
二つの方向
離散と連続の境界は、一箇所にあるわけではありません。私たちは、二つの異なる場所でこの境界を扱っています。
材料の限界を解像する。材料の内部にある境界です。結晶レベルで生じているすべりから出発して、材料としての振る舞いを導きます。逆に、目標とする振る舞いから組織を定めることも、同じ境界を反対向きに辿る作業です。
設計の限界を解像する。計算の出口にある境界です。連続体として計算された応答は、そのままでは設計や生産の判断になりません。どの条件を選ぶか、どこまで計算を信頼してよいか——こうした判断は個別で、離散的です。最適化、機械学習、サロゲートモデル、統計的手法といった道具を、対象に応じて投入します。
二つは別の場所にある境界です。しかし、問いは同じです。連続と離散のあいだで、何をどう翻訳するのか。その翻訳で、何が失われるのか。
見えるものと、見えないもの
モデルは常に、何かを説明でき、何かを説明できません。その区別を明示することを、私たちは成果の一部と考えています。
うまく説明できた部分だけを示すのではなく、この方法では何が見えないのかを併せて示す。そうすることではじめて、次に何をすべきかが決まります。
分野の現状については The Field を、具体的な研究テーマについては Research をご覧ください。
研究室を志望する皆さんへ
ここからは、研究室への配属や進学を検討している皆さんに向けて書きます。
当研究室の研究は、実験室で手を動かすものというより、理論を組み立て、自分たちで計算プログラムを書き、その結果を実験と突き合わせるものです。市販の解析ソフトウェアを使うだけではなく、解析コードそのものを開発・運用しており、学生の皆さんもその一部を担当します（Theories & Tools をご覧ください）。
こんな皆さんに向いています
- 材料力学や連続体力学の考え方を、公式の暗記ではなく仕組みとして理解したい
- 数式の意味を、自分で追いかけたい
- 論理的に、そして粘り強く物事を考えることが得意である。あるいは、その力を養いたい
- 抽象的な思考だけでなく、現実の物理現象をよく観察することにも関心がある
- 設計や生産の分野に、解決したい工学的な問題を持っている
逆に、既存のソフトウェアを使って結果を出すことだけを目的とする研究を望む方には、あまり向いていません。
必要な知識について
研究では、数理的な取り組みが大きな割合を占めます。学部レベルの数学と力学、そしてプログラミングが日々の道具になります。
ただし、配属の時点でこれらができている必要はありません。苦手だと感じている場合でも、配属後にトレーニングを積む期間があります。担当教員の科目（力学的モデリング、設計・計画の最適化数理、構造システム工学）を履修していることも、前提ではありません。
プログラミング言語は Fortran が中心です。最適化・機械学習・統計処理には Python を用います。
配属を検討中の3年生の皆さんへ
研究室配属の日程と、研究室訪問に関するルールについては、秋に学科から案内があります。そちらをご確認ください。
研究室説明会の日程が決まりましたら、News でお知らせします。個別の相談も歓迎しますので、遠慮なく連絡してください。
大学院からの進学を考えている皆さんへ
学部からそのまま進学する場合も、他大学・他研究室から受験する場合も、出願の前に一度ご連絡ください。
研究室ごとに受入可能な人数が決まっており、研究テーマの適合も重要です。入試に合格しても希望どおりの配属にならない場合がありますので、事前に研究内容と受入状況を確認しておくことをお勧めします。
連絡の際は、これまでに学んできたこと、当研究室のどの研究に関心があるかを簡単にお書き添えください。
博士課程を考えている皆さんへ
博士課程での研究指導は、学生と指導教員の双方にとって数年にわたる大きな投資です。そのため、次の点を踏まえて個別に判断しています。
- 研究テーマが研究室の方向性と接続するか
- その時点で受け入れる余力があるか
- 適合する研究プロジェクトが進行しているか
これらは年度によって変わります。受け入れができない年もあります。
関心のある方は、研究計画の草案を添えてご連絡ください。書式は問いませんが、ご自身がこれまでに何をしてきたか、当研究室のどの研究とどう接続するのかが読み取れるものが必要です。その内容をもとに、まず議論から始めます。
連絡先
For Prospective Students
This section is for students applying from outside Japan, or who prefer to read in English. Japanese-speaking applicants should read 研究室を志望する皆さんへ above.
Background we look for
You do not need to have covered all of this before arriving, but the following will make your time here productive.
- Solid mechanics and continuum mechanics at the level of a mechanical engineering degree
- Working knowledge of the finite element method
- Programming ability in Fortran; Python for optimization, machine learning, and statistics
An interest in crystal plasticity, texture, or the onset of localization is a strong plus.
Admission routes
The Graduate School of Science and Technology admits international students through several routes, including the International Graduate Program (IGP) for master’s and doctoral study, the Double Degree Program, the Exchange Program, and research student and research internship schemes. We have accepted students through these routes.
Procedures, eligibility, and deadlines are handled by the University, and the official pages are the accurate source:
Admissions — Graduate School of Science and Technology, Keio University
Please contact us before you apply. Admission to the Graduate School and assignment to a specific laboratory are separate matters, and places in each laboratory are limited. Whether we can take you in a given term depends on capacity and on the fit between your interests and the work currently under way. A short message describing your background and which part of our research interests you is enough to start.
Doctoral study
Doctoral supervision is a commitment of several years on both sides. Whether we can take on a new doctoral student in a given year depends on the fit of the proposed topic, our current supervisory capacity, and whether a suitable project is running. There are years in which we cannot.
If you wish to be considered, please write with a draft research proposal. There is no required format, but it should make clear what you have worked on so far and how your intended topic connects to ours. We begin from a discussion of that proposal; inquiries without one are difficult to respond to substantively.
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