2012年、Walter Schäferは、流れの中の液滴と粒子を解析する光学測定装置により、ダルムシュタット工科大学のアイデアコンテストで第1位を受賞しました。

受賞したコンセプトは、ダルムシュタット工科大学流体力学・空気力学研究室での博士研究から生まれたものです。このコンセプトは、エマルション、サスペンション、不透明なスプレー液滴を含む複雑な液滴を測定するための、コンパクトな光学的アプローチを提案しました。このプロジェクトは、応募された81件のビジネス・研究アイデアの中で第1位となりました。

https://www.tu-darmstadt.de/media/daa_responsives_design/01_die_universitaet_medien/aktuelles_6/publikationen_km/hoch3/pdf/TU_Hoch3_0113_130129_web.pdf

ダルムシュタット工科大学アイデアコンテストについて

ダルムシュタット工科大学のアイデアコンテストは、学生、卒業生、研究者に対し、革新的な研究成果やビジネスコンセプトを専門家の審査員団に発表する機会を提供するものでした。

ダルムシュタット工科大学は、2007年から毎年このコンテストを開催していました。その主な目的は、商業的な可能性を持つ研究を発掘し、技術移転を支援し、大学およびダルムシュタット地域全体の起業家精神を強化することでした。

2012年には参加が大幅に増加しました。コンテストには前年のほぼ3倍となる81件の応募がありました。したがって、第1位の受賞により、光学式液滴アナライザーはさまざまな科学・技術分野からの他の80件のアイデアを上回ったことになります。

受賞アイデア：光学式液滴アナライザー

受賞プロジェクトは、流れの中の個々の液滴と粒子の光学的な特性評価に焦点を当てたものでした。

液滴や粒子の特性は、多くの産業プロセスで重要な役割を果たします。そのサイズ、速度、透明度、組成は、スプレー、コーティング、乾燥、燃焼、粒子製造の各プロセスの安定性と品質に影響を与える可能性があります。

しかし、確立された光学測定システムの多くは、透明でほぼ球形の液滴に対して最もよく機能します。液滴に顔料、懸濁粒子、乳化物質、その他の内部構造が含まれている場合、結果の信頼性が低下することがあります。

Walter Schäferの研究は、この制約に取り組んだものです。提案された装置は、既存の光学的手法を拡張し、比較的少ない装置構成で、不透明な粒子や、サスペンションおよびエマルションからなる液滴も測定できるようにしました。

なぜ複雑な液滴の測定は難しいのか？

透明で均質な液滴は、多くの場合、明確に定義された光散乱信号を生成します。これに対し、複雑な液滴には次のようなものが含まれることがあります。

これらの内部構造は、散乱光の強度や形状を変化させることがあります。その結果、従来の評価手法では関連する信号の特徴を識別できない場合があります。

受賞したコンセプトは、個々の液滴や粒子が生成する時間分解光散乱シグネチャを記録・解析することで、この課題に対応しました。

時間分解光散乱の役割

液滴が整形されたレーザービームを通過すると、1つまたは複数の光学検出器に向けて光を散乱させます。検出器は、液滴の通過中に光の強度がどのように変化するかを記録します。

測定システムは、単一の強度値だけを用いるのではなく、時間信号全体を解析します。光学配置に応じて、この信号には次のような情報が含まれます。

こうした詳細な信号情報は、物理的な評価手法と、その後の統計的解析やAI支援解析の両方の基盤となります。

TSTOF測定技術とのつながり

コンテストで発表された研究は、Time-Shift-Time-of-Flight法（略称TSTOF）の初期開発の一部をなすものでした。

Walter Schäferは、2008年から2012年にかけての博士研究の中で、ダルムシュタット工科大学のCameron Tropea教授とともに最初のプロトタイプを開発しました。最初の動作可能なプロトタイプも2012年に公開されました。

TSTOFは、時間分解された光学散乱信号を用いて、個々の液滴や粒子の特性を評価します。この手法は、信号ピークの時間的位置、形状、順序に関する情報を組み合わせます。

そのため、この装置は、スプレー全体の平均強度のみを測定する光学システムよりも多くの情報を抽出できます。

凍結乾燥およびコーティングプロセスへの応用

ダルムシュタット工科大学によると、この測定アプローチは凍結乾燥用途と産業用コーティングプロセスの両方に可能性を持つものでした。

コーティング技術において、液滴径と液滴速度は次の項目に影響を与えます。

さらに、塗料には顔料やその他の固形成分が含まれていることが多くあります。そのため、主に透明な液体向けに設計された測定手法では、塗料の液滴を解析するのが難しい場合があります。

乾燥や粒子製造のプロセスにおいても、液滴の特性は蒸発、熱伝達、粒子形成、そして最終製品の特性に影響を与えます。

コンパクトな測定アプローチ

このプロジェクトのもう一つの重要な点は、装置構成が比較的少なくて済むことでした。

産業ユーザーは、既存の試験装置や生産設備に組み込めるコンパクトな装置を必要とすることが少なくありません。大型の光学システムでは、複数方向からのアクセス、繊細なアライメント、あるいは広い設置スペースが必要になる場合があります。

受賞したコンセプトは、個々の液滴の情報へのアクセスを維持しながら、こうした複雑さを低減することを目指していました。詳細な測定と実用的なシステム設計のこの組み合わせが、プロジェクトの商業的可能性に寄与しました。

2012年コンテストの支援企業・団体

複数の産業企業および地域団体が、このコンテストを財政的に支援しました。

これらの企業・団体の参加は、研究を実用化へとつなげるうえで、大学、技術系企業、投資家、地域機関の協力がいかに重要であるかを示すものでした。

コンテスト後の展開

2013年、ai-quantonはダルムシュタット工科大学発のスピンオフ企業として設立されました。同社は、TSTOF測定技術に基づく光学測定装置および解析手法の開発を継続しました。

2012年のコンテスト応募作は、まだ現在のような形のAIプラットフォームではありませんでした。むしろ、後の製品開発や技術開発の基盤となる、光学および信号処理の土台を示したものでした。

こうした後の開発には、次のものが含まれます。

これらの名称は、後の商業的または技術的な開発を表すものです。根底にある物理的な測定プロセスは、時間分解光散乱信号の光学的な検出と解析であることに変わりありません。

第1位受賞の意義

ダルムシュタット工科大学のアイデアコンテストは、博士研究から産業向け技術コンセプトへの重要な転換点となりました。

この賞は、プロジェクトのいくつかの中心的な側面を評価したものです。

こうして第1位の受賞は、ai-quantonにおける光学式スプレー測定技術の発展における初期のマイルストーンとなりました。

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