AIでセラミックス材料の3次元ミクロ構造の高精度なモデル化に成功

• セラミックス材料の機能発現のカギとなるミクロ構造の理解が期待されていた
• 深層学習を使うことでセラミックス材料を高精度にモデル化することに成功
• 実在の材料のミクロ構造がサイバー空間内に再現され、計算やAIの適用が容易に

　東京農工大学大学院工学研究院の山本 明保 准教授らは、人工知能（AI）の手法の1つである深層学習を活用することで、電子顕微鏡の画像からセラミックス材料の高精度な3次元ミクロ構造をモデル化することに初めて成功しました。
　材料の研究開発に近年進歩が著しいAIなどをより容易に適用するには、材料の機能に密接に関わるミクロ構造をサイバー空間に再現する必要がありました。
　本研究では、自動運転や医療用画像処理にも用いられる深層学習を、電子顕微鏡により撮影した鉄系高温超伝導材料のミクロ構造画像に応用することで、複雑なセラミックス材料のミクロ構造としては世界最高レベルの精度でモデル化できました。
　サイバー空間で実在の材料の複雑なミクロ構造を取り扱えるようになることで、材料を合成する際の構造制御モデルの高精度化や、これまで分からなかった機能発現のカギとなるミクロ構造部の「見える化」が数年以内に実現すると予想されます。また、省力・高速な解析により研究者へのフィードバックが容易になるため、カーボンニュートラルに向けて求められる、よりエコな製造プロセスの研究開発へも貢献することが期待されます。
　本研究は、東京農工大学工学部の平林 由宇 氏（卒業、現在ソフトバンク株式会社勤務）、伊加 遥河 氏（修士課程在学）、小川 浩生 氏（卒業、現在企業勤務）、德田 進之介 博士（卒業、現在企業勤務）、九州大学大学院総合理工学研究院の嶋田 雄介 准教授と共同で、科学技術振興機構（JST） 戦略的創造研究推進事業 CREST（「実験と理論・計算・データ科学を融合した材料開発の革新」領域、JPMJCR18J4）の一環として、日本学術振興会 科学研究費補助金の助成、文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム事業の支援を一部受けて行ったものです。
　本研究成果は、3月5日にSpringer Nature科学誌「npj Computational Materials」のオンライン版で公開されました。

3 次元電子顕微鏡を用いて材料から取得したミクロ構造の画像から、奥行方向の情報も加味した高精度な教師データを作成し、セラミックス材料のミクロ構造の特徴をAI に学習させます。そして、学習したAI モデル（完全畳み込みニューラルネットワーク）を使って、数百枚の電子顕微鏡の2 次元画像を元にセラミックス材料の3 次元ミクロ構造をモデル化します。これにより、ミクロ構造がサイバー空間内で取り扱えるようになるため、計算シミュレーションやAI を使った材料の探索や機能の解明、高効率なプロセス開発などへの展開がより容易になります。

注１）完全畳み込みニューラルネットワーク
生物の脳の神経回路を模した人工知能（AI）の手法の1 つ。深層学習とよばれ、人間が与えた「教師データ」（注４）を何度も学習させることで、脳の働きのようにデータを処理するモデルをつくることができます。英語ではFully Convolutional Network とよばれます。
注２）鉄系高温超伝導セラミックス材料
鉄系超伝導体は2008 年に日本で東京工業大学グループにより発見された新しい高温超伝導体群で、銅酸化物系に次ぐ高い転移温度を持つことから、量子コンピューター、高効率送電ケーブル、強力磁石など幅広い分野への応用が期待されています。とくに、超伝導を維持できる上限の磁場が従来材料の2 倍以上と極めて高いことから、磁石材料としての応用研究開発が日米欧中を中心に精力的に進められています。
注３）3 次元電子顕微鏡法
電子顕微鏡により対象の3 次元構造を観察する手法。スライスしながら断面像を取得するシリアルセクショニング法や医療でも用いられるCT 法などがあります。本研究ではミクロ構造が可能な前者を用いていますが、本判別法は後者への対応も可能です。
注４）教師データ
人工知能（AI）が学習する際に用いるデータのこと。今回の研究では、入力画像と正解画像のペアを教師データ（教師画像）に用いました。注５）IoU 精度深層学習による画像処理の性能を評価する際の指標の1 つで、予測した値と正解の値の重なり度を表す値のこと。0 から1 までの値を取り、1 に近いほど予測結果が正解に近いことを示します。
注６）データベース基盤
優れた機械学習のモデルを作成する際に、AI が学習するのに必要となるデータベースの基盤のこと。国内では、文部科学省マテリアル先端リサーチインフラ(ARIM)において材料に関するデータベースが蓄積されています。
注７）生成AI
膨大な学習データからパターンや傾向を学習し、既存のデータとは異なる、新たなデータを生成する創造的な活動を目的としたAI の手法の1 つ。ほかのAI と比較して、テキスト、画像、音楽、ビデオなどの新しいコンテンツを生成することを得意としています。

• 本研究の詳細についてはこちら

掲載誌：npj Computational Materials
論文名：Deep learning for three-dimensional segmentation of electron microscopy images of complex ceramic materials
（複雑なセラミック材料の電子顕微鏡画像の3次元セグメンテーションのためのディープラーニング）
著者：Yu Hirabayashi, Haruka Iga, Hiroki Ogawa, Shinnosuke Tokuta, Yusuke Shimada & Akiyasu Yamamoto
DOI：10.1038/s41524-024-01226-5

総合理工学研究院　嶋田 雄介　准教授